DE2141545C3

DE2141545C3 - Seismische Gasexplosionseinrichtung

Info

Publication number: DE2141545C3
Application number: DE19712141545
Authority: DE
Inventors: William J. Fulshear Tex. Gundlach (V.St.A.)
Original assignee: Geo Space Corp
Current assignee: Geospace Technologies LP
Priority date: 1971-08-19
Filing date: 1971-08-19
Publication date: 1975-06-26
Also published as: DE2141545A1; DE2141545B2

Description

55

Die Erfindung bezieht sich auf eine seismische Gasexplosionseinrichtung, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben ist, und dient zur Erzeugung seismischer Energiewellen bzw. eines akustischen Signals in einem umgebenden Fluidmedium.

Eine Einrichtung dieser Art ist an sich bekannt (deutsche Offenlegungsschrift 1 623 523). Die bekannte Einrichtung arbeitet nach dem Dieselprinzip, wobei das ⁶S akustische Signal durch verhältnismäßig langsames Abbrennen eines Gasgemisches erzeugt wird, was sich nachteilig sowohl im Frequenzspektrum als auch in der Energie des erzeugten Signals widerspiegelt Außerdem ist die bekannte Einrichtung sehr aufwendig und erfordert für ihre Arbeitsweise zusätzlich zu der eigentlichen, das akustische Signal erzeugenden Einrichtung noch einen Verdichter, wobei die von diesem Verdichter gelieferte Druckluft sowohl der Verbrennungskiimmer als auch der zweiten Kammer zugeführt wird, wobei beide Kammern über eine Bohrung im Kolben miteinander in Verbindung stehen. Die Zündung des Gasgemisches erfolgt im bekannten Fall durch eine in der Verbrennungskammer angeordnete Glühstiftkerze. Der Brennstoff wird über eine besondere Düse in die Verbrennungskammer eingesprüht Insbesondere die Verwendung einer Glühkerze zum Zünden des Gasgemisches in der Verbrennungskammer macht die bekannte Einrichtung aufwendig und störanfällig.

Es sind weiterhin Einrichtungen zur Erzeugung seismischer Energiewellen bekannt (deutsche Offenlegungsschrift 2 053 643 und USA.-Patentschrift 3 379 273), die ausschließlich mit Druckluft arbeiten, wobei die akustischen Signale durch Freigabe von Druckluft mittels einer Kolbenanordnung erzeugt werden. Mit derartigen Einrichtungen lassen sich jedoch lediglich Signale mit verhältnismäßig geringer Energie erzeugen. Außerdem benötigen diese" bekannten Einrichtungen schwere Kompressoren.

Es ist auch bereits bekannt (USA.-Patentschrift 3 379 273), derartige, an sich für reine Druckluft bestimmte Einrichtungen durch Zuführen eines Brennstoffgemisches und dessen Zündung in einer Kammer zu betätigen. Bei einer derartigen Verwendung dieser bekannten Einrichtungen sind jedoch Zündkerzen, Glühkerzen oder ähnliche Mittel zum Zünden des Gasgemisches in einer Kammer erforderlich. Hierdurch werden die bekannten Einrichtungen aufwendig und störanfällig.

Ferner ist eine seismische Gasexplosionseinrichtung bekannt (USA.-Patentschrift 3 545 562), bei der die Zündung des das akustische Signal erzeugende Gasgemisches mittels einer über eine flexible Leitung sich ausbreitenden Detonationswelle erzeugt. Ein Gehäuse, welches zwei Kammern bildet und in welchem eine Kolbeneinrichtung verschiebbar angeordnet ist, ist bei dieser bekannten Einrichtung jedoch nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine in ihrer Konstruktion einfache und trotzdem zuverlässig arbeitende seismische Gasexplosionseinrichtung zu schaffen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine seismische Gasexplosionseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 so ausgebildet, wie dies im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 beschrieben ist

Die erfindungsgemäße Gasexplosionseinrichtung liefert akustische Signale mit hoher Energie und mit einem günstigen Frequenzspektrum; sie stellt weiterhin eine besonders leichte Ausführung dar, die in gleicher Weise sowohl für den Einsatz in seichten Gewässern und in sumpfigem Gelände als auch für den Einsatz bei großen Wassertiefen geeignet ist. Da die Erfindung ferner besondere Zündeinrichtungen, wie Zündkerzen, Glühkerzen usw., in der Verbrennungskammer vermeidet und vor allem auch die Ausbildung des beweglichen Kolbens sehr einfach gehalten ist, ist die erfindungsgemäße Gasexplosionseinrichtung sehr robust und kaum störanfällig. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sirh aus den Unteransprüchen.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit den Figuren an Hand eines Ausführungsbeispieles er-

läutert Es zeigt

F i g. 1 eine Querschnittsansicht einer Gasexplosionseinrichtung,

F i g. 2 eine Ansicht des unteren Lndes der Explosionseinrichtung nach F i g. 1 in vergrößertem Maßstab, und

F i g. 3 eine Aufsicht längs der Linie 3-3 der F i g. 2.

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 Gasspeisequelle, wie sie für vorliegende Gasexplosionseinrichtung verwendet werden kann, ist in der USA.-Patentschi ift 3 545 562 beschrieben. Es können jedoch auch andere herkömmliche Speisequellen zuui Einführen und Zünden der verbrennbaren Gase in der Gasexpiosicnseinrichtung verwendet werden.

Die Leitung ist ein flexibles Rohr mit balgenartiger Konstruktion. Durch Fernzündung wird eine Detonationsstoßwelle ausgelöst, die sich nach unten durch das flexible Rohr 30 in die Gasexplosionseinrichtung 100 bewegt, wo sie das verbrennbare Gasgemisch in der Verbrennungskammer 110 zur Detonation bringt. Nachdem die Ladung in der Verbrennungskammer 110 zur Detonation gebracht worden und die gasförmigen Verbrennungsprodukte ausgetrieben worden sind, f Jhrt die Gasspeisequeile automatisch eine frische Ladung in die Verbrennungskammer ein, damit der nächste Arbeitsvorgang beginnen kann.

Die Explosionseinrichtung 100 erzeugt akustische Impulse in einem umgebenden strömenden Medium 101, z. B. Wasser, sumpfigem Gelände oder Schlamm. Die Verbrennungskammer 110 ist innerhalb der Wandüngen eines starren Gehäuses 112 ausgebildet Aus Zweckmäßigkeitsgründen ist das Gehäuse 112 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 C-Ringen 128, 130 gasdicht gemacht, der Zweck dieser Dichtung wird nachstehend erläutert

Die Verbrennungskammer 110 weist eine Endwandung 132 und einen in Längsrichtung entgegengesetzten Auslaß 134 auf. Ein Kanal 136 in der Wand 132 steht über einen Einlaß 138 mit dem flexiblen Rohr 30 in Verbindung.

Der Auslaß 134 hat kreisförmigen Querschnitt mit einem Flächeninhalt, der so gewählt ist, daß die Hochdruckgase aus der Kammer UO augenblicklich freigegeben werden können. Durch die zylindrische Wandung des unteren Abschnittes 116 erstrecken sich Austrittsöffnungen 148, die alle symmetrisch in bezug auf die Längsachse des Gehäuses 112 angeordnet sind. Bei einer Ausführungsform sind vier derartige Austrittsöffnungen 148 vorgesehen, wie F i g. 2 zeigt.

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

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

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 O-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.

Ein Gaseinlaß 190 ist durch einen Tei der geschlossenen Endwandung 132, 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 Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung ist das zur Begrenzung innerhalb der Steuerkammer 174 verwendete Gas ein inertes Gas, z. B. Stickstoff.

Im Betrieb der Gasexplosionseiinrichtung 100, während welchem der Kolben 150 in seiner voll geschlossenen Stellung nach F i g. 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 Verorennungskammer 110 einen Druck von etwa 3,5 ■ 104kp · m-². Der Druck des Stickstoffs in der zweiten Kammer 140 beträgt ebenfalls etwa 3,5 · 1On kp · m~². Da die wirksame Fläche der Bodenwandung 152 des Kolbens verhältnismäßig größer als die wirksame Fläche des Auslasses 134 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 Druckpegel übersteigt, öffnet die Dichtung 164 etwas, damit der Druck innerhalb der Kammer 110 auf den gewünschten 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.

In dem Augenblick, in welchem das brennbare Gasgemisch in der Kammer 110 zur Detonation gebracht wird, und zwar durch eine Detonationswelle, die über das flexible Rohr 30 übertragen wird, öffnet die Dichtung 164 auf Grund des sich nach abwärts beschleunigenden Kolbens 150. Der Kolben 150 erreicht seine voll geöffnete Stellung, die die instabile Stellung H wie in Fig.2 gezeigt Der Auslaß 134 der Kammer UO baut dann eine Strömungsmittelverbindung zu dem umgebenden Wassermedium 101 (F i g. 2) über die Auslaß-Öffnung 148 auf.

Die Freigabe der Gase hoher Temperatur und hohen Druckes aus der Kammer 110 durch die öffnungein 148 erzeugt einen akustischen Impuls hoher Intensität in dem Strömungsmittelmedium 101, das die Gasenplo-

sionseinrichtung 100 umgibt.

Während der nach 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 Stickstoffgas wirkt als starke, nicht lineare Vorspannfeder, d.h. der Druck nimmt rasch mit der Kolbenverschiebung zu.

Im Anschluß an die Explosion, wenn der Druck der Auspuffgase genügend verringert worden ist, wird der Kolben 150 durch die Stickstoff-»Feder« nach oben aus seiner instabilen vorgespannten Stellung beschleunigt

Die Abkühlung der heißen Gase, die im Gehäuse 112 enthalten sind, ergibt einen stark verminderten Druck in der Kammer UO. Diese Druckverminderung trägt zur Füllung der nächsten brennbaren Gasladung bei.

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 vorgeschriebenen Weise wiederholt werden, um in das Wasser 101 eine Serie von akustischen Impulsen etwa gleicher Intensität abzugeben.

Hierzu 1 Biatt Zeichnungen

f^

Claims

Patentansprüche:

1. Seismische Gasexplosionseinrichtung zum plötzlichen Freigeben von Gasen hohen Druckes in ein umgebendes Fluidmedium mit einem Gehäuse, welches eine Verbrennungskammer und eine zweite Kammer aufweist und starr ausgebildet ist, mit einem Gasversorgunssystem zum periodischen Einspeisen einer Ladung eines unter Druck stehenden brennbaren Gasgemisches in die Verbrennungskammer sowie mit einem verschiebbaren Kolben, der die Verbrennungskammer gegen das umgebende Fluidmedium abdichtet, w?nn der Kolben eine stabile vorgespannte Stellung einnimmt, so daß das Gasgemisch in der Verbrennungskammer unter Druck eingeschlossen wird, mit mindestens einer Austrittsöffnung im Gehäuse, die eine Verbindung zwischen der Verbrennungskammer und dem umgebenden Medium herstellt, wenn das brennbare Gasgemisch beim Zünden den Kolben aus der stabilen in eine instabile Stellung unter Vergrößerung des Volumens in der Verbrennungskammer und unter Verminderung des Volumens in der zweiten Kammer bewegt, und mit einem, den Kolben in seiner stabilen Stellung haltenden sowie den Schlag des Kolbens auf das Gehäuse dämpfenden Vorspannungsmittel in der zweiten Kammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungskammer (110) und die zweite Kammer (140) ständig gegeneinander strömungsmitteldicht abgeschlossen sind, und daß das Gasversorgungssystem eine flexible Leitung (30) zur Übertragung einer Detonationswelle in die Verbrennungskammer (110) zur Zündung des Gasgemisches aufweist

2. Seismische Gasexplosionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kammer (140) mit einem inerten Gas gefüllt ist

3. Seismische Gasexplosionseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (112) einen oberen Abschnitt (114) und einen unteren Abschnitt (116) aufweist, und daß der obere Abschnitt eine Abdichtfläche (164) bildet, die mit dem Kolben (150) in seiner stabilen Stellung abdichtend in Eingriff kommt

4. Seismische Gasexplosionseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (150) ein Hohlzylinder mit einer verlängerten zylindrischen Seitenwand (156) ist, und daß die Grenzflächen zwischen der zylindrischen Seitenwandung (156) des Kolbens (150) und der zylindrischen Wandung der zweiten Kammer (140) Abdichtelemente (158,160) aufweisen.