DE2421455A1 - Vorrichtung zur erzeugung von stosswellen - Google Patents

Vorrichtung zur erzeugung von stosswellen

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DE2421455A1
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Germany
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piston
drive
drive housing
electrodes
mass
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DE2421455A
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Adrien P Pascouet
Alain Sciard
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CENTRE NAT EXPLOIT OCEANS
DEV de la RECH APPLIQUEE SODER
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CENTRE NAT EXPLOIT OCEANS
DEV de la RECH APPLIQUEE SODER
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01VGEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/02Generating seismic energy
    • G01V1/133Generating seismic energy using fluidic driving means, e.g. highly pressurised fluids; using implosion
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15BSYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B21/00Common features of fluid actuator systems; Fluid-pressure actuator systems or details thereof, not covered by any other group of this subclass
    • F15B21/12Fluid oscillators or pulse generators

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Description

  • Vorrichtung zur Erzeugung von Stoßwellen (Zusatzanmeldung zur Patentanmeldung P 23 20 670.4) Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Stoßwellen für die Durchführung des im Hauptpatent ....
  • (PatAnm Akt.-Z. P 23 20 670.4) beschriebenen Verfahrens zur Erzeugung von Stoßwellen in einer Flüssigkeit, bei dem eine Masse innerhalb einer Flüssigkeit mit so großer Geschwindigkeit bewegt wird, daß sich in Bewegungsrichtung der Masse gesehen hinter der schnell bewegten Masse ein Raum stark verminderten Drucks bildet, der dann nach Art einer Implosion von der umgebenden Flüssigkeit schlagartig ausgefüllt wird.
  • Die im Hauptpatent beschriebene Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens dient dazu, die Masse in Bewegung zu versetzen und mit hoher Geschwindigkeit innerhalb der Flüssigkeit fortzubewegen. Entsprechend der im Hauptpatent offenbarten Ausführungsform besteht die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens aus einem mit Druckgas gefüllten Raum veränderlichen Volumens, der in Wirkverbindung mit einem weiteren Raum bringbar ist, welcher seinerseits mit der Umgebungsflüssigkeit in Verbindung bringbar und gegen diese absperrbar ist. Die Vorrichtung weist einen Kolben auf, der beaufschlagt durch ein sich entspannendes Gas bei öffnen eines in besonderer Weise ausgebildeten Ventils sehr schnell innerhalb einer die fortzubewegende Masse enthaltenden Kammer verschiebbar ist.
  • Das Verfahren und die Vorrichtung des Hauptpatents gestatten die Erzeugung von wesentlich kräftigeren Stoßwellen als bis dahin möglich, bei gleichzeitig niedrigeren Betriebskosten.
  • Durch die Erfindung soll nunmehr eine weitere Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach dem Hauptpatent geschaffen werden, die sich durch einfachen Aufbau und vielseitige Anwendungsmöglichkeit auszeichnet.
  • Die nunmehr vorgeschlagene Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem offenen Mantelrohr, in welchem ein Kolben über wenigstens einen-Teil der Rohrlänge frei verschiebbar geführt ist, besteht, das an einem Ende vermittels eines zum Antrieb des Kolbens dienenden Antriebsgehäuses verschlossen ist.
  • Entsprechend einer ersten Ausgestaltung der Erfindung weist das Antriebsgehäuse zwei Elektroden auf, welche in den zur Aufnahme eines Antriebsmediums dienenden Innenraum des Antriebsgehäuses hineinragen und mit einer zur Erzeugung eines Lichtbogenübergangs zwischen den Elektroden dienenden elektrischen Spannungsquelle verbindbar sind. Das Antriebsmedium kann dabei entweder aus Wasser oder aus einem explosiven Gasgemisch bestehen.
  • Entsprechend einer zweiten Ausgestaltung der Vorrichtung kann auch das Antriebsgehäuse über einen schnell öffnenden und schließenden Schieber mit dem Mantelrohr verbunden sein und einen Sammelraum für Druckgas-Antriebsmedium bilden.
  • Vorzugsweise ist der Kolben mit einer senkrecht zu seinen Stirnflächen verlaufenden, geeichten Öffnung versehen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im nachfolgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform und Fig. 2 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform.
  • Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung besteht aus einem Mantelrohr 101, das an seinen beiden Enden 102 und 103 offen ist. Innerhalb des Mantelrohrs 101 ist überwenigstens einen Teil der Rohrlänge ein Kolben 104 gleitend verschiebbar geführt und weist einen Vorsprung 104a auf, dessen Außendurchmesser etwas kleiner ist als der Innendurchmesser eines Rings 102a, der an dem offenen Ende 102 des Mantelrohrs 101 befestigt ist. Das Mantelrohr 101 ist an seinem anderen Ende 103 durch ein zum Antrieb des Kolbens 104 dienendes Antriebsgehäuse 105 verschlossen, das sich in Verlängerung an das Mantelrohr 101 anschließt, an einem Ende fest mit diesem verbunden und an seinem anderen Ende durch einen Stopfen 105 verschlossen ist. An dem Antriebsgehäuse 105 ist eine innere Ringschulter 105c ausgebildet, welche einen zur Begrenzung des Verschiebungsweges des Kolbens 104 nach oben dienenden Anschlag bildet. Der Stopfen 105b trägt zwei-Elektroden 106 und 107, welche in die Kammer 108 hineinragen, die durch das Antriebsgehäuse 105 und den Kolben 104 begrenzt ist. Diese beiden Elektroden sind mit einer bei 109 schematisch angedeuteten elektrischen Spannungsquelle verbunden. Im Mantelrohr 101 ist in Nähe der oberen Totpunktstellung des Kolbens 104 eine geeichte Öffnung 110 ausgebildet.
  • Die Ausführungsform nach Fig. 2 weist der nach Fig. 1 entsprechende Bestandteile auf, und diese sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Das Mantelrohr 101 ist jedoch in diesem Falle mit dem Antriebsgehäuse 105 über einen zwischen beiden angeordneten, schnell öffnenden und schließenden Schieber 111 verbunden. Der hier dargestellte Schieber kann beispielsweise der in der französischen Patentschrift 71 39095 vom 29. Oktober 1971 beschriebenen Ausführung entsprechen oder aus einem Schieber anderer Ausführung bestehen, welcher schnell in die Öffnungsstellung verstellbar ist. Das Absperrglied 112 des Schiebers ist mittig angeordnet und auf einem mittigen Anker 113 des Schiebers hin und her verschiebbar geführt. Bei dieser Ausführungsform bildet das mit dem offenen Ende 103 des Mantelrohrs 101 verbundene Ende des Schiebers 111 gleichzeitig den oberen Anschlag für den Kolben 1 04.
  • An das Antriebsgehäuse 105 ist eine Druckgaszuführleitung 114 angeschlossen, durch welche ein Druckgas in die Kammer 108 zuführbar ist, welche hier durch das Antriebsgehäuse 105 und den Schieber 111 begrenzt ist. Der Kolben 104 ist mit einer senkrecht zu seinen Stirnflächen verlaufenden, geeichten Öffnung 115 versehen.
  • Die Arbeitsweise der beschriebenen Vorrichtung ist kurz wie folgt. Dazu sei angenommen, daß die Vorrichtung in einer Flüssigkeit untergetaucht ist und zu seismischen Untersuchungen des Bodens eines Gewässers verwendet wird. Unter diesen Bedingungen bewirkt der bei der jeweiligen Eindringtiefe innerhalb der Flüsssigkeit herrschende hydrostatische Druck die Verschiebung des Kolbens 104 von dem offenen Ende 102 des Mantelrohrs 101 weg bis zur Anlage gegen die Ringschulter 105c (Fig. 1) bzw. gegen das Ende des Schiebers 111 (Fig. 2). Das die Vorrichtung umgebende Wasser füllt somit das Innere des Mantelrohrs 101 aus, wobei das hinter dem Kolben eingeschlossene Gas durch die.dffnung 110 hindurch entweichen kann. In die Kammer 108 im Antriebsgehäuse 105 wird dann ein Antriebsmedium eingeleitet. Im Falle der Ausführungsform nach Fig. 1 kann dieses Antriebsmedium aus einem explosiven Gasgemisch bestehen. Zum Zuführen desselben sind selbstverständlich hier nicht dargestellte Vorrichtungen wie z.B. ein ferngesteuertes Einlaßventil vorgesehen. Sobald ein Lichtbogenübergang zwischen den beiden Elektroden 106 und 107 erzeugt wird, kommt es zur Entzündung des Gasgemischs, wodurch ein sehr großes Gasvolumen entsteht, das bei seiner Entspannung den Kolben 104 mit hoher Geschwindigkeit in Richtung des Rings 102a hin verschiebt. Der Kolben 104 verdrängt dabei mit hoher Geschwindigkeit das innerhalb des Mantelrohrs 101 befindliche Wasser und wird am offenen Ende 102 des Mantelrohrs durch Aufprall auf den Ring 102a hart abgebremst, wobei sich ein Flüsssigkeitsfilm zwischen dem Innendurchmesser des Rings 102a und dem Vorsprung 104a an dem Kolben befindet.
  • Das durch den Kolben aus dem Mantelrohr 101 herausgeschleuderte Wasser bewegt sich infolge seiner Massenträgheit in gleicher Richtung innerhalb der die Vorrichtung umgebenden Flüssigkeit fort, indem es sich dabei von dem Kolben ablöst. Daher bildet sich hinter der fortbewegten Wassermenge, welche im Hauptpatent als "Flüsssigkeitsgeschoß" bezeichnet ist, ein Hohlraum bzw. ein Raum stark verminderten Drucks aus, der implosionsartig von der umgebenden Flüssigkeit aufgefüllt wird, wobei eine Stoßwelle erzeugt wird. Nach Abfeuern dieses "Schusses" wird der Kolben 104 aufgrund des hydrostatischen Drucks wieder in die in der Zeichnung dargestellte obere Stellung zurückgedrückt, wobei die Verbrennungsgase durch die Öffnung 110 hindurch entweichen können.
  • Als Antriebsmedium kann anstelle eines explosiven Gasgemischs auch eine bestimmte Wassermenge dienen, in welcher vermittels der Elektroden ein Lichtbogenübergang erzeugt wird. Bei dieser elektrischen Entladung wird innerhalb sehr kurzer Zeit eine sehr große Gasmenge erzeugt, die bei Entspannung den Kolben 104 hoch beschleunigt. Die Verwendung von Wasser als Antriebsmedium hat den besonderen Vorteil, daß die Vorrichtung vermittels der elektrischen Entladung als selbständiger Stoßwellengenerator innerhalb einer Flüssigkeit verwendbar ist.
  • Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird als Antriebsmedium ein komprimiertes Gas (wie z.B. Luft oder Dampf) verwendet, das dem Raum 108 durch die Druckgaszuführleitung 114 zugeführt wird. Der Raum 108 stellt in diesem Falle einen Sammelraum für Druckgas-Antriebsmedium dar. Im Auslösezeitpunkt wird der Schieber 111 geöffnet. Da der Schieber aufgrund seiner Konstruktion sehr schnell in die Öffnungsstellung verstellbar ist, wirkt praktisch augenblicklich und schlagartig eine sehr große Druckgasmenge auf die Rückseite des Kolbens 104 ein, beaufschlagt diesen und verursacht die Verschiebung des Kolbens mit hoher Geschwindigkeit.
  • Genau wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform gestattet die geeichte Öffnung 110 das Entweichen einer vorbestimmten Gasmenge, welche so bemessen ist, daß sie die Stoßwellenerzeugung nicht beeinflußt. Außerdem kann das Antriebsmedium bei Verschiebung des Kolbens 104 nach oben aufgrund des auf diesen einwirkenden hydrostatischen Drucks durch diese Öffnung 110 hindurch entweichen. In seiner oberen Stellung verschließt der Kolben diese Öffnung 110. Die im Kolben 104 ausgebildete Öffnung 115 gestattet das Einführen einer kleinen Gasmenge in den von dem "Flüssigkeitsgeschoß" gebildeten Hohlraum nach Ablösung desselben von dem Kolben. Diese Gasmenge wirkt als "Stoßdämpfer" und verhindert Rückpralleffekte der bei der Implosion aufeinandertreffenden Flüssigkeitsmassen, welche die erzeugte Stoßwelle aufgrund der Erzeugung einer Sekundärstoßwelle stören könnten.
  • Diese zweite Ausführungsform der erf-indungsgemäßen Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Verwendung in Institutsgebäuden oder auf ozeanografischen Forschungsfahrten, bei denen bereits eine Druckgasquelle oder Vorrichtungen zur Erzeugung von überhitztem Dampf zur Verfügung stehen. Die Ausführungsform nach Fig 2 gestattet außerdem, an der Auslaßseite des Schiebers 111 Mantelrohre 101 unterschiedlicher Durchmesser anzubringen. Auf diese Weise lassen sich die Abmessungen des Flüssigkeitsgeschosses, d.h. der schnell fortbewegten Masse und damit die Energie der erzeugten Stoßwelle auf einfache Weise verändern.
  • - Patentansprüche: -

Claims (6)

  1. Patentansprüche : i Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Erzeugung von Stoßwellen in einer Flüssigkeit, bei dem eine Masse innerhalb der Flüssigkeit mit so großer Geschwindigkeit bewegt wird, daß sich in Bewegungsrichtung der Masse gesehen hinter der schnell bewegten Masse ein Raum stark verminderten Drucks bildet, der dann nach Art einer Implosion von der umgebenden Flüssigkeit ausgefüllt wird, nach einem der Ansprüche 1 - 4 des Hauptpatents, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß sie aus einem offenen Mantelrohr (101), in welchem ein Kolben (104) über wenigstens einen Teil der Rohr länge frei verschiebbar geführt ist, besteht, das an einem Ende (103) vermittels eines zum Antrieb des Kolbens dienenden Antriebsgehäuses (105) verschlossen ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsgehäuse (105) zwei Elektroden (106, 107) aufweist, welche in den zur Aufnahme eines Antriebsmediums dienenden Innenraum (108) des Antriebsgehäuses hineinragen und mit einer zur Erzeugung eines Lichtbogenübergangs zwischen den Elektroden dienenden elektrischen Spannungsquelle (109) verbindbar sind.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebsmedium Wasser verwendbar ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebsmedium ein explosives Gasgemisch verwendbar ist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsgehäuse (105) über einen schnell öffnenden und schließenden Schieber (111) mit dem Mantelrohr (101) verbunden ist und einen Sammelraum (108) für Druckgas-Antriebsmedium bildet.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (104) eine senkrecht zu seinen Stirnflächen verlaufende, geeichte Öffnung (115) aufweist.
    L e e r s e i t e
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