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Seismische Gasexplosionseinrichtung Die Erfindung bezieht sich auf
seismische Gasexplosionseinrichtungen zum plötzlichen Freigeben von Hochdruckgasen
in ein umgebendes strömendes Medium.
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Es sind verschiedene Arten von seismischen Gasexplosionseinrichtungen
bekannt. Bei einer derartigen Explosionseinrichtung werden die seismischen Impulse
durch wiederholtes Detonieren eines brennbaren Gasgemisches in einer Kammer erzeugt,
die ein offenes Ende aufweist, das direkt mit dem Wasser gekoppelt ist. Bei einer
anderen Anordnung ist ein Gemisch aus Luft hohen Druckes und Dieselbrennstoff in
einer Verbrennungskammer angeordnet. Nach dem Zünden werden die dabei auftretenden
Hochdruckgase über eine komplizierte Ventilanordnung in das Wasser freigegeben.
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Diese und andere bekannte seismische Explosionsgeräte haben bestimmte
Nachteile: Sie benötigen schwere Kompressoren, die Ventilanordnung zur Steuerung
der plötzlichen Freigabe der Gase hoher Temperatur und hohen Druckes in das Wasser
weisen zu viele bewegliche Teile auf, die häufig Einstellungen und Wartungen benötigen.
Solche Explosionseinrichtungen werden leicht beschädigt und brechen häufig.
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Während die Gasexplosionseinrichtungen mit offenem Ende theoretisch
in tiefen Gewässern einwandfrei arbeiten, in denen der umgebende Wasserdruck verhältnismäßig
hoch ist, ist ihr Einsatz in seichtem Wasser und in sumpfigem Gelände erheblich
beschränkt.
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Ziel vorliegender Erfindung ist eine verhältnismäßig leichte Gasexplosionseinrichtung,
die insbesondere bei der seismischen Erkundung verhältnismäßig seichter Gewässerund
sumpfigen Geländes einsetzbar ist.
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Gemäß der Erfindung wird hierzu ein Gasexplosionsgerät vorgeschlagen,
das ein Gehäuse mit einer Verbrennungskammer und einer zweiten Kammer aufweist.
Ein brennbares Gasgemisch wird in die Verbrennungskammer eingeführt. Bin Kolben
in der zweiten Kammer schließt normalerweise einen Gasauslaß in die Verbrennungskammer.
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Die zweite Kammer weist eine Vorspannvorrichtung auf, um normalerweise
den Kolben in seine geschlossene Stellung zu drücken.
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Etwa gleichzeitig mit der Detonation der in der Verbrennungskammer
eingeschlossenen Gase beschleunigen die auftretenden Gase hohen Druckes den Kolben
rasch von der geschlossenen Stellung in seine voll geöffnete Stellung, wodurch die
plötzliche Freigabe von Gasen hoher Temperatur und hohen Druckes in das strömungsmittelmedium,
das das Gehäuse umgibt, möglich ist. Diese plötzliche Freigabe der Gase hohen Druckes
erzeugt einen gewünschten akustischen Impuls. Der Kolben kehrt aus seiner instabilen
Stellung in seine stabile Stellung so rechtzeitig zurück, daß
Wasser
am Eintritt in die Verbrennungskammer gehindert wird.
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Nach einem weiteren Merkmal vorliegender Erfindung weist die zweite
Kammer ein geschlossenes Ende auf, und der Kolben gleitet abdichtend über der inneren
zylindrischen Wandlung der zweiten Kammer. In diese zweite Kammer wird unterhalb
des Kolbens inertes Gas eingeführt, damit der Kolben normalerweise innerhalb der
Verbrennungskammer in seiner geschlossenen Stellung gehalten wird.
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Im Anschluß an die Verschiebung des Kolbens aus seiner geschlossenen
Stellung in seine voll geöffnete Stellung wird das inerte Gas in der zweiten Kammer
komprimiert, wodurch der Stoß des Kolbens auf das Gehäuse der Explosionseinrichtung
abgefedert und der Kolben in seinen normalen stabilen Zustand zurückgeführt wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse zylindrisi
ausgebildet und der Kolbenwhält normalerweise den Ausgang der Verbrennungskammer
geschlossen. Der Kolben gleitet auf der zylindrischen Innenwandung der zweiten Kammer
im Anschluß an die Detonation des verbrennbaren Gasgemisches in der Verbrennungskammer.
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Eine geeignete Verengung läßt ein inertes Gas, z.B. Stickstoff, in
die zweie Kammer ein, welche durch die zylindrische Wandung des Gehäuses und die
Unterseite des Kolbens gebildet wird; Eine Vielzahl von Austrittsöffnungen erstrecken
sich durch die zylindrisse Wandung des Gehäuses. Die oeffnungen stehen mit dem Auslaßende
der Verbrennungskammer in Strömungsmittelaustausch, so daß die vollsenndige nahezu
augenblickliche Freigabe der Hochdruckgase, die bei der-Verbrennung entstehen, in
das die Gasexplosionseinrichtung umgebende Strömungsmittel möglich wird.
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IJachstehend Wlird die Erfindung in-Verbindung mit der Zeichnung anhand
eirje'3- /vusftiJlrungsbeispieles erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine
Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Gasexplosionseinrichtung
nach vorliegender Erfindung Fig. 2 eine Ansicht des unteren Endes der Explosionseinrichtung
nach Fig. 1 in vergrößertem Maßstab, und Fig. 3 eine Aufsicht längs der Linie 3-)
der Fig. 2.
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Die Gasexplosionseinrichtung ist insgesamt mit 100 bezeichnet und
besitzt eine Verbrennungskammer 110. Eine (nicht dargestellte) Speisequelle für
ein brennbares Gasgemisch speist in eine Gaseinlaßleitung 30 ein Brennstoff-Sauerstoffgemisch
zur Erzeugung der gewünschten akustischen Impulse ein. Eine bevorzugte Gasspeisequelle,
wie sie für vorliegende Gasexplosionseinrichtung verwendet werden kann, ist in der
US-Patentschrift 5.545.562 beschrieben. Es können jedoch auch andere herkömmliche
Speisequellen zum Einführen und Zünden der verbrennbaren Gase in der Gasexplosionseinrichtung
verwendet werden.
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Die Leitung 50 ist vorzugsweise ein flexibles Rohr mit balbenartige
Konstruktion. Durch Fernzündung wird eine Detonationsstoßwelle ausgelöst, die sich
nach unten durch das flexible Rohr 50 in die Gasexplosionseinrichtung 100 bewegt,
wo sie das verbrennbare Gasgemisch in der Verbrennungskammer 110 zur Detonation
bringt. I4achdem die Ladung in der Verbrennungskammer 110 zur Detonation gebracht
worden und die gXasförmigen Verbrennungsprodukte ausgetrieben worden sind, führt
die Gasspeisequelle automatisch eine frische Ladung in die V erbrennungslcammer
ein, damit der nächste Arbeitsvorgang beginnen kann.
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Die Explosionseinrichtung 100 erzeugt akustische Impulse in einem
umgebenden strömenden Medium 101, z.B. Wasser, suflp'igem Gelände oder Sclilamm.
Die Verbrennungskammer 110 ist innerhalb der Wandungen eiiies starren Gehäuses 112
ausgebildet. Aus
Zweckmäßigkeitsgründen ist das Gehäuse 112 vorzugsweise
aus zwei Abschnitten rohrförmiger Gestalt hergestellt. Es weist einen oberen Abschnitt
114 und einen unteren Abschnitt 116 auf, die beide durch eine Schraubverbindung
118 miteinander gekoppelt sind. Ein Halsteil 120 im oberen Abschnitt 140 erstreckt
sich nach innen in den unteren Abschnitt 116. Ein vergrößerter Wandteil 122 bildet
eine Schulterfläche 124 aus, an der der Abschnitt 116 aufliegt. Eine Ringkammer
126 ist durch ein Paar von 0-Xingen 128, 150 gasdicht gemacht, der Zweck dieser
Dichtung wird nachstehend erläutert.
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Die Verbrennungskammer 110 weist eine Endwandung 132 und einen in
Längsrichtung entgegengesetzten Auslaß 154 auf. Ein Kanal 136 in der Wand 132 steht
über einen Einlaß 158 mit dem flexiblen Rohr 30 in Verbindung.
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Der Auslaß 154 hat kreisförmigen Querschnitt mit einem Flächeninhalt,
der so gewählt ist, daß die Hochdruckgase aus der Kammer 110 augenblicklich freigegeben
werden können. Durch die zylindrische Wandung des unteren Abschnittes 116 erstrecken
sich Austritts öffnungen 148, die vorzugsweise alle symmetrisch in bezug auf die
Längsachse des Gehäuses 112 angeordnet sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
sind vier derartige Austrittsöffnungen 148 vorgesehen, wie Fig. 2 zeigt.
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Der untere Abschnitt 116 bildet eine zweite Kammer 140 mit einer geschlossenen
Endwandung 142. In der zweiten Kammer 140 ist ein hohler, zylindrischer Kolben 150
gleitend befestigt, der eine Bodenwandung 152, ein offenes Ende 144 und eine äußere
zylindrische Seitenwandung 156 aufweist. Zwei Dichtungen 158 und 160 machen die
zweite Kammer 140 strömungsmitteldicht. Die Abdichtung 158 ist eine U-förmige Kopfdichtung
zur Abdichtung des Stickstoffs in der Kammer 140, und die Dichtung 160 ist eine
Abstreiferdichtung, die das Eindringen'von Wasser von außen in die
Kammer
140 verhindert.
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Der Kolben 150 weist eine flache ringförmige Schulter 162 auf, die
eine Dichtung Metall gegen Metall bei 164 mit dem Hals 120 des oberen Abschnittes
114 bildet.
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Mit der Endwandung 142 ist ein nasenförmiger Konus 170 entweder befestigt
oder einstückig ausgebildet, der mit dem Abschnitt 116 bei 172 verschraubt ist.
Die Abschnitte 116 und 170 legen eine Steuerkammer 174 fest, die durch einen 0-Ring
176 gasdicht gemacht ist. Eine Mündung 180, die ein Rückschlagventil 182 aufweisen
kann, stellt eine Verbindung zwischen den Kammern 140 und 174 dar und steuert einen
Gasdurchfluß zwischen diesen beiden Kammern, damit die Kammer 140 durch das in Richtung
der Pfeile 184 strömende Gas druckaufgeladen wird.
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Ein Gaseinlaß 190 ist durch einen'Teil der geschlossenen Endwandung
152, von dort nach außen und außerhalb des Abschnittes 114 durch eine Leitung 192,
den Hals 122 und in den ringförmigen Kanal 126 geführt. Zwischen dem Kanal 126 und
der Kammer 174 ist eine Bohrung 194 vorgesehen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
vorliegender Erfindung ist das zur Begrenzung innerhalb der Steuerkammer 174 verwendete
Gas ein inertes Gas, vorzugsweise Stickstoff.
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Im Betrieb der Gasexplosionseinrichtung 100, während welchem der Kolben
150 in seiner voll geschlossenen Stellung nach Fig. 1, die die stabile Lage ist,
steht, wird eine Ladung eines brennbaren Gasgemisches durch das Einlaßrohr 30, den
Einlaß 138 und in die Verbrennungskammer 110 eingeführt. Voll aufgeladen erreicht
das brennbare Gasgemisch innerhalb der Verbrennungskammer 110 einen Druck von etwa
50 psi. Der Druck des Stickstoffs in der zweiten Kammer 140 beträgt ebenfalls etwa
50 psi. Da die wirksame Fläche der Bodenwandung152 des Kolbens verhältnismäßig größer
als die
wirksame Fläche'des Auslasses 154 ist, wird eine nutzbare,
nach oben gerichtete Kraft auf den Kolben 150 ausgeübt, die diesen in abdichtenden
Eingriff mit dem oberen Abschnitt 114 an der Ringdichtung 164 bringt. Falls der
Druck der brennbaren Ladung innerhalb der Kammer 110 den gewünschten Druckregel
übersteigt, öffnet die Dichtung 164 etwas, damit der Druck innerhalb der Kammer
110 auf den gewüns-chten Wert fällt. Der Kolben 150 wirkt dabei als Steuerventil
und trägt dazu bei, daß wiederholt akustische Impulse gleicher Amplitude in das
Strömungsmedium 101 erzeugt werden.
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In dem Augenblick, indem das brennbare Gasgemisch in der Kammer 110
zur Detonation gebracht wird, beispielsweise durch eine Detonationswelle, die über
das flexible Rohr 30 übertragen wird, wie beisp-ielsweise in der US-Patentschrift
5.545.562 beschrieben, öffnet die Dichtung 164 aufgrund des sich nach abwärts beschleunigenden
Kolbens 150. Der Kolben 150 erreicht seine voll geöffnete Stellung, die die instabile
Stellung ist, wie in Fig. 2 gezeigt Der Auslaß 134 der Kammer 110 baut dann eine
Strömungsmittelverbindung zu dem wngebenden Wassermedium 101 (Fig. 2) über die Auslaßöffnung
148 auf.
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Die Freigabe der Gase hoher Temperatur und hohen Druckes aus der Kammer
110 durch die Öffnungen 148 erzeugt einen akustischen Impuls hoher Intensität in
dem Strömungsmittelmedium 101, das die Gasexplosionseinrichtung 100 umgibt.
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Während der nacli. abwärts gerichteten Beschleunigung bewirkt der
Kolben 150, daß das Stickstoffgas in der zweiten Kammer 140 stark komprimiert wird;
dadurch wird verhindert, daß der Kolben einen physikalischen Kontakt mit der Endwandung
142 erhält. Das Stickstoilingas wir]t als starke, nicht lineare Vorspannfeder, d.h.
der Dr} nimmt a;,'-ì mit der Kolbenverschiebung zu.
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Im Anschlußan die Explosion, wenn der Druck der Auspuffgase genügend
verringert worden ist, wird der Kolben 150 durch die Stickstoff-"Feder't nach oben
aus seiner instabilen vorgespannten Stellung beschleunigt, wie in Fig. 3 gezeigt
ist.
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Die Abkühlung der heißen Gase, die im Gehäuse 112 enthalten sind,
ergibt einen stark verminderten Druck in der Kammer 110. Diese Druckverminderung
trägt zur Füllung der nächsten brennbaren Gasladung bei.
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Während des Auspuffens verhindert der hohe Druck innerhalb der Kammer
110, daß umgebendes Wasser in die Kammer 110 eindringt, wenn der Kolben 150 von
der Dichtung 164 gelöst ist. Ein vollständiger Arbeitszyklus erfolgt sehr rasch
innerhalb weniger Sekunden, und es kann ein weiterer Zyklus in der vorbeschriebenen
Weise wiederholt werden, damit in das Wassermedium 101 eine Serie von akustischen
Impulsen etwa gleicher Intensität abgegeben werden.