Изобретение относится к сейсморазведке, гидроакустике и предназначено для возбуждения упругих волн в водной среде, а также может быть применено для интенсификации различных технологических процессов, успешнее проходящих при воздействии мощного звукового поля.
Известен сейсмический излучатель, содержащий вскрывающий рабочую камеру цилиндрический элемент, установленный с возможностью перемещения вдоль сборного корпуса, снабженного в зоне его рабочей камеры выхлопными отверстиями, поршневой элемент, образующий с корпусом управляющую камеру, сообщенную каналами с источником сжатого газа, рабочей камерой и электропневмоклапаном в корпусе ["Акустика дна океана", под ред. У. Купермана и Ф. Енсена, М.: Мир, 1984 г., с. 52].
В излучателе цилиндрический элемент выполнен в виде штока с накопительным каналом и фланцем. Внешняя часть фланца опирается на седло и перекрывает выхлопное отверстие рабочей камеры, удерживаясь в статическом состоянии под воздействием жестко связанного с ним поршня за счет разницы сил, действующих на поршень со стороны управляющей камеры и на цилиндрический элемент со стороны рабочей. При этом электропневмоклапан сообщен длинным каналом в корпусе с уплотняемой поверхностью поршня, имеющим свое посадочное седло.
В известном излучателе при подаче импульса на электропневмоклапа, последний выдает порцию сжатого газа по длинному каналу в зону уплотнения поршневого элемента под седло. Это изменяет соотношение сил, что выводит жесткую систему поршень-цилиндрический элемент из равновесия, придавая ей начальное ускорение. Рабочая камера разуплотняется. Накопленный сжатый газ постепенно реализуется в среду через увеличивающийся зазор между седлом с боковыми выхлопными прорезями в корпусе и средой, одновременно выталкивая поршневой элемент в управляющую камеру. Последний с некоторого момента времени начинает испытывать торможение, сжимая при движении газ в управляющей камере до величины, значительно большей рабочего давления. По мере изменения соотношения сил (большого давления в управляющей камере и малого давления за счет истечения газа в рабочей камере) поршень меняет направление и возвращается в исходное положение. При этом, как правило, сжатый газ из рабочей камеры реализуется в среду на 30-50% в зависимости от конструктивных особенностей конкретного излучателя. Это происходит за счет большой возвращающей силы сжатого газа в управляющей камере и недостаточной площади вскрывающегося зазора. Часть накопленного в рабочей камере газа остается нереализованной. Возвратно-поступательное движение системы поршень - вскрывающий цилиндрический элемент происходит с огромными ударными перегрузками конструкции, особенно в крайних положениях: при торможении поршня после вскрытия и посадке в статическое положение. В статическом положении с трудом обеспечивается надежное уплотнение по двум поверхностям одновременно: уплотнительному седлу поршня и фланцу цилиндрического элемента. Это происходит за счет динамического деформирования уплотнительных элементов и динамической вибрации конструкции.
Недостатками известного сейсмического излучателя являются:
большие задержки процесса излучения за счет длинного запускающего канала;
невысокая сейсмическая эффективность возбуждения колебаний за счет истечения сжатого газа через небольшой зазор зоны вскрытия рабочей камеры (в зависимости от ее объема и величины зазора);
неполная реализация сжатого газа в среду;
ненадежность уплотнений;
невысокая долговечность конструкции за счет высоких динамических напряжений;
высокая металлоемкость конструкции, т.е. соотношение между максимальным объемом рабочей камеры и общим объемом излучателя (значительный объем конструкции занимает камера управления с поршнем);
невозможность применения излучателя для генерации коротких кавитационных импульсов и тонально-импульсных сигналов, в том числе повышенной частоты.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является сейсмический излучатель, содержащий корпус, имеющий полый цилиндр с выхлопными окнами в его стенках, образующий рабочую камеру, торцевую часть, в которой имеется управляющая камера, соединенная с рабочей камерой, и заглушку, закрепленную на цилиндре корпуса, источник сжатого газа, сообщенный с управляющей камерой, вскрывающие элементы, установленные напротив выхлопных окон цилиндра с возможностью перемещения вдоль оси корпуса, и электропневмоклапан, соединенный с управляющей камерой [патент РФ N 1025245, G 01 V 1/137, опубл. 27.11.96 г. бюл. 33].
В излучателе вскрывающие элементы выполнены в виде цилиндрических колец с большим и малым уплотнительными фланцами и осевыми отверстиями для связи полостей смежных камер. При этом полость предыдущей камеры является управляющей для следующей. Вскрывающий элемент образует с корпусом управляющую камеру и вскрывает смежную рабочую полость. Электропневмоклапан связан с зоной уплотнения под большим фланцем вскрывающего элемента внешним каналом запуска, а зона уплотнения с окружающей средой дроссельным каналом.
При подаче импульса на электропневмоклапан меняется направление силы, действующей на вскрывающий элемент. В статическом положении она пропорциональна площадям фланцев: большого, уплотненного торцевым уплотнением и перекрывающего камеру управления, и малого, уплотненного радиальным уплотнением, перекрывающего зону выхлопа смежной рабочей камеры. Часть импульсной порции сжатого газа электропневмоклапана, предназначенного для инверсирования сил, воздействующих на вскрывающий элемент, из-под большого фланца дросселирует в окружающую среду, снижая давление подрыва. В начальный момент вскрывающая сила пропорциональна давлению подрыва и площади малого фланца. Вскрывающий элемент начинает движение в сторону управляющей камеры. Через некоторое время образуется зазор между корпусом рабочей камеры, радиальным уплотнением и малым фланцем, через который по мере увеличения зазора сжатый газ реализуется в окружающую среду. По мере уменьшения давления в рабочей камере с задержкой разгерметизируется смежная и т.д. При перемещении вскрывающего элемента вдоль управляющей камеры давление в последней увеличивается до величин, превышающих начальное рабочее. Это, учитывая падение давления в смежных камерах, приводит к его торможению, остановке, а затем и возвращению в исходное статическое положение. Избыток газа из-под торцeвого уплотнения большого фланца вытекает в среду через дроссель. Инерционные скорости вскрывающего элемента в этом процессе могут достигать очень больших величин.
Динамика увеличения зазора выхлопа, в значительной мере определяя сейсмическую эффективность излучения, находится в прямой зависимости от массы вскрывающих элементов, действующих на них при вскрытии сил и скорости их включения. В известном излучателе вскрывающие элементы выполнены в виде сложных пространственных конструкций. Сила вскрытия недостаточно велика. Условием надежного вскрытия является необходимость применения мощного, высокорасходного электропневмоклапана. Излучатель имеет невысокую скорость вскрытия при недостаточно большой величине (площади) зазора вскрытия. Выхлопные окна соседних последовательно включенных камер находятся недостаточно близко из-за большого размера вскрывающих элементов, срабатывающих с задержкой. При этом соотношение между площадью суммарного зазора и всей поверхностью излучателя невелико, что приводит к недостаточно эффективному формированию фронта волны и снижению эффективности излучения. Кроме того, сжатый газ из рабочей камеры реализуется в среду на 30-50% вследствиe большой возвращающей силы сжатого газа в управляющей камере и недостаточной площади вскрывающегося зазора. Часть накопленного в рабочей камере газа остается нереализованной.
Возвратно-поступательное движение достаточно массивных вскрывающих элементов происходит с большими перегрузками, особенно в крайних положениях: при торможении после вскрытия и посадке в статическое положение. При их возвращении с высокой скоростью в статическое положение с трудом обеспечивается одновременное уплотнение по двум поверхностям уплотнений: торцeвому и радиальному. Это происходит за счет динамического деформирования уплотнительных элементов и динамической вибрации конструкции, вследствиe чего невысока долговечность уплотнений.
Недостатками прототипа являются:
малая скорость и площадь вскрытия как отдельно взятой камеры, так и последовательно включенных камер. Это обусловлено малым суммарным выхлопным зазором, недостаточно близким расположением камер друг к другу и небольшой силой вскрытия, пропорциональной в основном площади малого фланца;
недостаточно полная реализация накопленного сжатого газа в среду;
ненадежность уплотнений;
невысокая долговечность уплотнений и самой конструкции за счет динамических перенапряжений;
невозможность применения излучателя для генерации квазигармонических автоколебаний сейсмического диапазона частот, коротких кавитационных импульсов и тонально-импульсных сигналов, в том числе повышенной частоты.
Задачей предложенного технического решения является повышение сейсмической эффективности работы излучателя за счет увеличения скорости и площади вскрытия рабочей камеры, а также более полная реализация сжатого газа в среду.
Кроме того, задачей является улучшение эксплуатационных характеристик за счет повышения надежности и долговечности излучателя, а также возможность генерации квазигармонических автоколебаний сейсмического диапазона частот, коротких кавитационных импульсов, тонально-импульсных сигналов, в том числе повышенной частоты.
Поставленные задачи решаются следующим образом.
Сейсмический излучатель, содержащий корпус, имеющий полый цилиндр с выхлопными окнами в его стенках, образующий рабочую камеру, торцевую часть, в которой имеется управляющая камера, соединенная с рабочей камерой, и заглушку, закрепленную на цилиндре корпуса, источник сжатого газа, сообщенный с управляющей камерой, вскрывающие элементы, установленные напротив выхлопных окон цилиндра с возможностью перемещения вдоль оси корпуса, и электропневмоклапан, соединенный с управляющей камерой, снабжен поршнем, установленным с возможностью перемещения вдоль оси корпусами и выполненным в виде цилиндрического кольца с фланцем, управляющая камера выполнена в виде кольцевой полости, торец кольца поршня расположен в кольцевой полости управляющей камеры, поршень и вскрывающие элементы размещены коаксиально с внешней или внутренней стороны цилиндра корпуса, вскрывающие элементы представляют собой кольца, выполненные с внешним диаметром, превышающим внешний диаметр кольца поршня, и имеющие в сечении прямоугольный треугольник, прямой угол которого направлен в сторону заглушки, вершины его острых углов скруглены, причем одна из вершин обращена к фланцу поршня и расположена между внутренним и внешним диаметрами кольца поршня.
Предпочтительно внешние диаметры фланца поршня и колец вскрывающих элементов выполнить не менее 1,2 диаметров цилиндра поршня.
Целесообразно заглушку выполнить съемной с сечением со стороны вскрывающих элементов, подобным сечению вскрывающего элемента.
Предпочтительно кольца вскрывающих элементов и поршень выполнить из материала с низкой плотностью и высокой износостойкостью, т.е. выбрать из ряда титановых и алюминиевых сплавов или композитных материалов.
Предпочтительно площадь сечения канала, соединяющего электропневмоклапан с управляющей камерой выполнить в 2-3 раза большей площадью, чем сечения каналов, соединяющих источник сжатого газа с управляющей камерой и последнюю с рабочей камерой.
Целесообразно в управляющей камере над торцом кольца поршня установить подвижное кольцевое уплотнение.
Предпочтительно выхлопные окна цилиндра корпуса выполнить в виде продольных щелей.
Вышеприведенная совокупность признаков представляет собой I вариант предложенного технического решения.
Поставленные задачи могут также быть решены еще и следующим образом.
Сейсмический излучатель ("ГЕОХИ - АВТОПНЕВМО", вариант II) содержит все вышеперечисленные узлы, выполненные аналогичным образом по варианту I (кроме электропневмоклапана).
Однако при этом вершина прямоугольного треугольника сечения вскрывающих элементов, обращенная к фланцу поршня, расположена в пределах внешних диаметров кольца и фланца поршня.
Кроме того, поставленные задачи могут быть решены следующим образом.
Сейсмический излучатель ("ГЕОХИ - ПРОПАН", вариант III) содержит все вышеперечисленные узлы, выполненные аналогичным образом по варианту I. Однако помимо этого он дополнительно содержит средство зажигания, ресивер, топливный смеситель, источник топлива и редуктор, при этом средство зажигания установлено в торцевой части корпуса и сообщено с рабочей камерой, ресивер сообщен с источником сжатого газа и электропневмоклапаном, топливный смеситель сообщен каналами с выходом электропневмоклапана и с рабочей камерой через последовательно соединенные обратный клапан и форсунку, источник топлива сообщен через обратный клапан с топливным смесителем, а редуктор установлен между управляющей камерой и источником сжатого газа.
Целесообразно топливный смеситель выполнить в виде цилиндрической полости в торцевой части корпуса и рассекателя в виде цилиндра, установленного в полости с зазором, при этом вход канала от электропневмоклапана выполнен по касательной к образующей полости в центральной ее части.
Кроме того, поставленные задачи могут быть решены следующим образом.
Сейсмический излучатель ("ГЕОХИ - КАВИТОН", вариант IV) включает все вышеперечисленные узлы, выполненные аналогичным образом по варианту I. Однако помимо этого он дополнительно содержит ствол, разгонный поршень и механизм возврата разгонного поршня, при этом ствол укреплен одним концом на торцевой части корпуса и имеет на свободном конце внутренний поясок, выполненный с конической проточкой, и не менее одного дроссельного отверстия в стенке на уровне заглушки, разгонный поршень выполнен в виде стакана, имеющего с внешней стороны дна кольцевой конический выступ, подобный проточке пояска ствола, стенки стакана установлены между стволом и заглушкой, а механизм возврата разгонного поршня выполнен в виде малого корпуса, установленного в рабочей камере и укрепленного в заглушке, и малого полого штока с фланцем, установленного коаксиально в малом корпусе и закрепленного в дне стакана разгонного поршня, причем фланец малого штока делит малый корпус на камеру нагнетания, сообщенную с рабочей камерой, и камеру сброса, сообщенную с полостью между стволом и вскрывающими элементами.
Целесообразно ствол снабдить демпфирующим дросселем, расположенным с внешней стороны на уровне пояска и сообщенным с конической проточкой.
Предпочтительно механизм возврата разгонного поршня снабдить торцевым уплотнением, расположенным на малом штоке под фланцем.
Целесообразно, чтобы камера нагнетания механизма возврата разгонного поршня была сообщена с рабочей камерой отверстием, выполненным в стенке малого корпуса у поверхности заглушки, а торцевое уплотнение было выполнено с противоположной стороны фланца с внешней фаской.
Поставленные задачи могут быть также решены следующим образом.
Сейсмический излучатель ("ГЕОХИ - ТОН") включает все вышеперечисленные узлы, выполненные аналогичным образом по варианту IV. Однако помимо этого он дополнительно содержит блок резонатора, укрепленный на пояске ствола с внешней стороны.
Блок резонатора может быть выполнен с резонаторными пластинами (вариант V) и резонаторным стаканом (вариант VI).
Блок резонатора (вариант V) может быть выполнен в виде диска, установленного коаксиально пояску ствола и имеющего четыре взаимно перпендикулярных щелевидных сопла, и четырех заостренных в сторону сопла резонаторных пластин, консольно закрепленных в одних плоскостях соответственно с щелевидными соплами, пластины, расположенные в одной плоскости, соединены синхронизирующими связками.
Целесообразно пластины укрепить в обойме, жестко связанной стержнями со стволом.
Предпочтительно синхронизирующие связки пластин выполнить в виде тонких стержней из упругого материала.
Блок резонатора (вариант VI) может быть также выполнен в виде стержня, укрепленного соосно стволу на пояске, имеющего отражатель, выполненный в виде кольца с кольцевой лункой, расположенной с внешней стороны ствола, при этом боковая поверхность кольца отражателя и внутренняя боковая поверхность пояска образуют кольцевое сопло втулки, установленной на стержне с возможностью перемещения и имеющей отражатель, выполненный в виде кольца с кольцевой лункой, при этом кольцевая лунка отражателя втулки расположена напротив кольцевой лунки отражателя стержня, резонаторного стакана с острой кромкой, установленного на втулке коаксиально ей с возможностью перемещения, при этом острая кромка стакана расположена напротив кольцевого сопла, и упругого амортизатора, расположенного между боковой поверхностью кольца отражателя втулки и стенками резонаторного стакана.
На фиг. 1 представлен общий вид сейсмического излучателя с внешним расположением вскрывающих элементов - вариант I ("ГЕОХИ - ПНЕВМО").
На фиг. 2 - вид A по фиг. 1.
На фиг. 3 - временные диаграммы давления в рабочей камере P2, управляющей камере P1 и на внешней поверхности вскрывающих элементов P3.
На фиг. 4 - временные диаграммы электрического импульса электропневмоклапана (U) и сила, действующая на поршень (F).
На фиг. 5 - общий вид сейсмического излучателя с внутренним расположением вскрывающих элементов - вариант 1 ("ГЕОХИ - ПНЕВМО").
На фиг. 6 - общий вид сейсмического излучателя - вариант II ("ГЕОХИ - АВТОПНЕВМО").
На фиг. 7 - общий вид сейсмического излучателя - вариант III ("ГЕОХИ - ПРОПАН").
На фиг. 8 - общий вид сейсмического излучателя - вариант IV ("ГЕОХИ - КАВИТОН").
На фиг. 9 - общий вид сейсмического излучателя - вариант V ("ГЕОХИ - ТОН") с резонаторными пластинами.
На фиг. 10 - разрез B-B по фиг. 9.
На фиг. 11 - разрез B-B по фиг. 9, вид резонансных пластин в динамическом режиме.
На фиг. 12 - общий вид сейсмического излучателя - вариант VI ("ГЕОХИ - ТОН") с резонаторным стаканом.
Сейсмический излучатель "ГЕОХИ - ПНЕВМО" (вариант I), представленный на фиг. 1, содержит корпус, имеющий полый цилиндр 1 с выхлопными окнами 2 в его стенках, образующий рабочую камеру 3, торцевую часть 4, в которой имеется управляющая камера 5, соединенная каналом 6 малого сечения с рабочей камерой 3, и заглушку 7, закрепленную на цилиндре 1 корпуса.
Выхлопные окна 2 цилиндра 1 корпуса могут быть выполнены в виде продольных щелей.
Излучатель также включает источник сжатого газа 8, сообщенный каналом 9 малого сечения с управляющей камерой 5, вскрывающие элементы 10, установленные напротив выхлопных окон 2 цилиндра 1 с возможностью перемещения вдоль оси корпуса, и электропневмоклапан 11, соединенный каналом 12 большого сечения с управляющей камерой 5.
Площадь сечения канала 12, соединяющего электропневмоклапан 11 с управляющей камерой 5, выполненa в 2-3 раза большей площадью, чем сечения каналов 9 и 6.
Излучатель снабжен поршнем, установленным с возможностью перемещения вдоль оси корпуса и выполненным в виде цилиндрического кольца 13 с фланцем 14.
Управляющая камера 5 выполнена в виде кольцевой полости, при этом торец кольца 13 поршня расположен в кольцевой полости управляющей камеры 5.
Поршень и вскрывающие элементы 10 размещены коаксиально с внешней (фиг. 1) или внутренней (фиг. 5) стороны цилиндра 1 корпуса.
Вскрывающие элементы 10 представляют собой кольца, выполненные с внешним диаметром, превышающим внешний диаметр кольца 13 поршня, и имеющие в сечении прямоугольный треугольник. Прямой угол 15 треугольника направлен в сторону заглушки 7, а вершины 16 и 17 его острых углов скруглены. Вершина 16, обращенная к фланцу 14 поршня, расположена между внутренним и внешним диаметрами кольца 13 поршня (фиг. 2).
Внешние диаметры фланца 14 поршня и колец вскрывающих элементов 10 выполнены не менее 1,2 диаметров кольца 13 поршня.
Заглушка 7 выполнена съемной с сечением со стороны вскрывающих элементов 10, подобным сечению вскрывающего элемента 10.
Кольца вскрывающих элементов 10 и поршень выполнены из материала с низкой плотностью и высокой износостойкостью, например, из ряда титановых и алюминиевых сплавов или композиционных материалов.
В управляющей камере 5 над торцом кольца 13 поршня установлено подвижное кольцевое уплотнение 18.
Сейсмический излучатель "ГЕОХИ - АВТОПНЕВМО" (вариант II) (фиг. 6) содержит все вышеперечисленные узлы, выполненные аналогичным образом по варианту I (кроме электропневмоклапана 11).
Однако при этом вершина 16 прямоугольного треугольника сечения вскрывающих элементов 10, обращенная к фланцу 14 поршня, расположена в пределах внешних диаметров кольца 13 и фланца 14 поршня.
Сейсмический излучатель "ГЕОХИ - ПРОПАН" (вариант III, фиг. 7) содержит все вышеперечисленные узлы, выполненные аналогичным образом по варианту I.
Однако помимо этого он дополнительно содержит установленные в торцевой части 4 корпуса средство зажигания 19, сообщенное с рабочей камерой 3, ресивер 20, сообщенный с источником сжатого газа 8 и электропневмоклапаном 11, топливный смеситель, сообщенный каналом 21 с выходом электропневмоклапана 11 и каналом 22 с рабочей камерой 3 через последовательно соединенные обратный клапан 23 и форсунку 24, источник топлива 25, сообщенный каналом 26 через обратный клапан 27 с топливным смесителем, и редуктор 28, установленный между управляющей камерой 5 и источником сжатого газа 8.
Топливный смеситель выполнен в виде цилиндрической полости 29 в торцевой части 4 корпуса и рассекателя 30 в виде цилиндра, установленного в полости 29 с зазором, при этом вход канала 21 от электропневмоклапана 11 выполнен по касательной к образующей полости 29 в центральной ее части.
Сейсмический излучатель "ГЕОХИ - КАВИТОН" (вариант IV, фиг. 8) включает все вышеперечисленные узлы, выполненные аналогичным образом по варианту I.
Однако помимо этого он дополнительно содержит ствол 31, укрепленный одним концом коаксиально на торцевой части 4 корпуса и имеющий на свободном конце внутренний поясок 32, выполненный с конической проточкой 33, и не менее одного дроссельного отверстия 34 в стенке на уровне заглушки 7, разгонный поршень 35, выполненный в виде стакана, имеющего с внешней стороны дна кольцевой конический выступ 36, подобный проточке 33 пояска 32, стенки стакана 37 установлены между стволом 31 и заглушкой 7, и механизм возврата разгонного поршня 35, выполненный в виде малого корпуса 38, установленного в рабочей камере 3 и укрепленного в заглушке 7, и малого полого штока 39 с фланцем 40, установленного коаксиально в малом корпусе 38 и закрепленного в дне стакана разгонного поршня 35. При этом фланец 40 малого штока 39 делит малый корпус 38 на камеру нагнетания 41, сообщенную с рабочей камерой 3, и камеру сброса 42, сообщенную с полостью между стволом 31 и вскрывающими элементами 10.
С внешней стороны на уровне пояска 32 ствола 31 расположен демпфирующий дроссель 43, который сообщен с конической проточкой 33.
Механизм возврата разгонного поршня 35 снабжен торцевым уплотнением 44, расположенным на малом штоке 39 под фланцем 40.
Камера нагнетания 41 механизма возврата разгонного поршня 35 сообщена с рабочей камерой 3 отверстием 45, выполненным в стенке малого корпуса 38 у поверхности заглушки 7, а торцевое уплотнение 44 с внешней фаской малого штока 39 расположено с противоположной стороны его фланца 40.
Сейсмический излучатель "ГЕОХИ - ТОН" включает все вышеперечисленные узлы, выполненные аналогичным образом по варианту IV. Однако помимо этого он дополнительно содержит блок резонатора, укрепленный на пояске 32 ствола 31 с внешней стороны.
Блок резонатора (вариант V, фиг. 9, 10, 11) может быть выполнен в виде диска 46, установленного коаксиально пояску 32 ствола 31 и имеющего четыре взаимно перпендикулярных щелевидных сопла 47, и четырех заостренных в сторону сопел 47 резонаторных пластин 48, консольно закрепленных в одних плоскостях соответственно с щелевидными соплами 47. Пластины 48, расположенные в одной плоскости, соединены синхронизирующими связками 49.
Пластины 48 укреплены в обойме 50, жестко связанной стержнями 51 со стволом 31.
Синхронизирующие связки 49 пластин 48 выполнены в виде тонких стержней из упругого материала, например, стали или сплавов титана.
Блок резонатора (вариант VI, фиг. 12) может быть также выполнен в виде стержня 52, укрепленного соосно стволу 31 на пояске 32, имеющего отражатель, выполненный в виде кольца 53 с кольцевой лункой 54, расположенной с внешней стороны ствола 31, при этом боковая поверхность кольца 53 отражателя стержня 52 и внутренняя боковая поверхность пояска 32 ствола 31 образуют кольцевое сопло 55 втулки 56, установленной на стержне 52 с возможностью перемещения и имеющей отражатель, выполненный в виде кольца 57 с кольцевой лункой 58, при этом кольцевая лунка 58 отражателя втулки 56 расположена напротив кольцевой лунки 54 отражателя стержня 52, резонаторного стакана 59 с острой кромкой 60, установленного на втулке 56 коаксиально ей с возможностью перемещения, при этом острая кромка 60 стакана 59 расположена напротив кольцевого сопла 55, и упругого амортизатора 61, расположенного между боковой поверхностью кольца 57 отражателя втулки 56 и стенками резонаторного стакана 59.
Излучатель "ГЕОХИ - ПНЕВМО" (вариант I) работает следующим образом.
Сжатый газ поступает из источника сжатого газа 8 по каналу 9 малого сечения сначала в управляющую камеру 5, воздействуя посредством кольцевого уплотнения 18 на цилиндрическое кольцо 13 поршня, вскрывающие элементы 10 и заглушку 7, плавно прижимая их к друг другу. К моменту полного уплотнения (давление в управляющей камере 5 близко к рабочему) процесс накопления рабочей камеры 3 еще не закончен ввиду ее большего объема и малого проходного сечения каналов 6 и 9 от источника 8. И до и после полного накопления камеры 3 давление газа передается на внутреннюю поверхность вскрывающих элементов 10 посредством выхлопных окон 2 и удерживается жесткостью конструкции. Поскольку возвращающая сила в зоне уплотнения между вскрывающими элементами 10 всегда меньшеб чем сила действующая со стороны кольца 13 поршня, конструкция в период заполнения рабочей камеры 3 удерживает давление газа. При этом, чем ближе зона уплотнения между вскрывающими элементами 10 к внешней поверхности кольца 13 поршня, тем меньшая сила действует на уплотняемые элементы: фланец 14 поршня, вскрывающие элементы 10 и заглушку 7, тем меньшая сила (например, энергия электопневмоклапана 11) требуется для вскрытия рабочей камеры 3. Процесс накопления в управляющей 5 и рабочей 3 камерах иллюстрируется начальными участками временных диаграмм P1 и P2 на фиг. 3, 4.
При подаче электрического импульса на электропневмоклапан 11 в канале 12 (см. также фиг. 2, 3, 4), который выполнен большим сечением, чем каналы 6 и 9, происходит резкое падение давления в управляющей камере 5. Происходит инверсия сил: большая растягивающая сила в зоне контакта между вскрывающими элементами 10 и маленькая, действующая на торец кольца 13 поршня со стороны управляющей камеры 5. С этого момента происходит последовательное разуплотнение вскрывающих элементов 10, начиная с ближайшего к фланцу 14 поршня. Процесс изменения напряжений в зонах уплотнений между вскрывающими элементами 10 идет со скоростью звука в материале последних. При падении напряжений между вскрывающими элементами 10 до нуля рабочая камера 3 вскрывается с образованием в этот момент узких щелевидных каналов, по которым устремляется сжатый газ (фиг. 2). При этом контур истекающего потока ограничивается профилями сечений колец вскрывающих элементов 10, где правый (по фиг. 2) идет по большому пути, а левый по малому. В силу неразрывности потока возникает эффект "самолетного крыла" с образованием силы на каждом элементе 10, направленной в сторону управляющей камеры 5 и способствующей более быстрому раздвижению вскрывающих элементов 10. Этот процесс иллюстрируется фиг. 4, где узкий пик силы F соответствует этому моменту. В дальнейшем по мере освобождения рабочей камеры 3 возрастает давление сжатого газа, прикладываемое к большему сечению фланца 14 поршня и вскрывающих элементов 10, нежели кольца 13 поршня в управляющей камере 5. Результирующая сила, воздействующая на поршень, oпределяется соотношением между внешними диаметрами поршня и колец вскрывающих элементов, которoе составляeт не менее 1,2 диаметра цилиндра поршня. Это способствует быстрому вскрытию камеры 3. На фиг. 3, 4 схематично показаны эпюры давлений в камерах управляющей и рабочей P1, P2 и на внешней поверхности вскрывающих элементов P3 (фиг. 3), а также неуравновешенная сила F, действующая на торец поршня (фиг. 4). Глубина хода поршня в управляющей камере 5 определяется массой оставшегося после выпуска газа электропневмоклапаном 11, т.е. длительностью электрического импульса, что определяет в известной мере возможность регулирования процесса излучения упругой волны: через объем реализуемого газа в среду - частотный состав сейсмических колебаний. Поскольку возвращающая сила управляющей камеры 5 регулируется длительностью импульса электоропневмоклапана 11, объем реализуемого газа в среду приближается к полному, накопленному в рабочей камере 3. После завершения выхлопа газа, имеющего быстрый взрывной характер, и закрытия электропневмоклапана 11 процесс накопления повторяется до подачи следующего импульса. Излучатель позволяет генерировать низкочастотные импульсные сигналы в диапазоне 1-500 Гц.
Излучатель "ГЕОХИ - АВТОПНЕВМО" (вариант II, фиг. 6) работает следующим образом.
Сжатый газ поступает из источника 8 по каналу 9 в управляющую камеру 5 и (аналогично излучателю "ГЕОХИ - ПНЕВМО") в начальный период уплотняет вскрывающие элементы 10, герметизируя рабочую камеру 3. Поскольку объем управляющей камеры 5 значительно меньше рабочей камеры 3, заполнение последней занимает определенный интервал времени. При сравнении сил, действующих с одной стороны на кольцо поршня 13, с другой - на фланец 14 и боковые поверхности вскрывающих элементов 10 (это происходит при некотором пороговом давлении в камере 3 (ниже рабочего)), камера 3 разгерметизируется. При этом, чем ближе зона уплотнения между вскрывающими элементами 10 к внешней поверхности кольца поршня 13, тем больше интервал времени заполнения камеры 3 и больше пороговое давление в ней.
Процесс разгерметизации идет аналогично излучателю "ГЕОХИ - ПНЕВМО" (вариант I). Во время выхлопа управляющая камера 5 выполняет функции возвращающей пружины. Давление в крайнем уплотненном положении поршня 13 превышает рабочее давление источника газа, что способствует быстрому закрытию рабочей камеры и герметизации вскрывающих элементов 10. Процесс накопления повторяется до набора рабочей камерой порогового значения выхлопа. Выбором определенных соотношений сечений каналов 6, 9, объемов камер 5, 3 и давления источника сжатого газа излучатель может быть настроен, как в режим квазигармонических автоколебаний (технологические воздействия) частотой 10-500 Гц и выше, так и редких импульсных последовательностей (сейсмические исследования) с определенной частотой следования в стандартном сейсмическом диапазоне.
Сейсмический излучатель "ГЕОХИ - ПРОПАН" (вариант III, фиг. 7) работает следующим образом.
В начальный момент времени давление газа-окислителя через редуктор 28 передается в управляющую камеру 5; при этом вскрывающие элементы 10 герметизированы, в рабочей камере 3 - атмосферное давление. Подготовительный процесс начинается с заполнения топливного смесителя дозированной порцией жидкого топлива и последующего срабатывания электропневмоклапана 11 на определенное время. При этом порция сжатого газа-окислителя из ресивера 20 высокого давления, проходя через электропневмоклапан 11, далее через полость 29 топливного смесителя, перекрывает обратный клапан 23 и приводит в движение рассекатель 30, равномерно перемешивающий смесь, одновременно выдавливая, распыляя ее с большой скоростью через форсунку 24 в рабочую камеру 3. Давление в рабочей камере 3 повышается до стехиометрической нормы. Затем срабатывает средство зажигания 19, воспламеняющее объем смеси. Давление в рабочей камере 3 быстро повышается, обратный клапан 23 отсекает ее от топливного смесителя и в определенный момент времени при сравнении действующих сил: сжатия со стороны управляющей камеры 5 и растяжения с рабочей 3, вскрывающие элементы 10 разгерметизируются (по варианту I). Процесс вскрытия идет взрывообразно с параллельным нарастанием давления горящей или детонирующей смеси в камере 3, ее истечением в окружающую среду с образованием сейсмических волн и завершается закрытием и уплотнением вскрывающих элементов 10 при сравнивании сил: возвращающей в управляющей камере 5 и растягивающей в рабочей 3. При этом длительность и полноту объема реализации инициированной смеси можно регулировать давлением управляющей камеры 5 (глубиной перемещения поршня) посредством редуктора 28. Излучатель возбуждает импульсные сигналы в сейсмическом диапазоне частот 1-500 Гц.
Сейсмический излучатель "ГЕОХИ - КАВИТОН" (вариант IV, фиг. 8) работает следующим образом.
По мере накопления рабочей камеры 3 давление проникает через отверстие 45 и воздействует на торцевое уплотнение 44, удерживаемое фланцем 40 малого полого штока 39. Давление с внешней стороны фланца 40 близко к давлению окружающей среды, что приводит к движению разгонного поршня 35 вправо по фиг. 8, т.е. в исходное взведенное статическое состояние.
При подаче электрического импульса на электропневмоклапан 11 в канале 12 (см. также фиг. 2, 3, 4), который выполнен большим сечением, чем каналы 6 и 9, между источником сжатого газа 8 и управляющей камерой 5 происходят процессы, описанные выше (работа сейсмического излучателя "ГЕОХИ - ПНЕВМО", по варианту 1). Полость между стволом 31 и вскрывающими элементами 10 заполняется сжатым газом, истекающим из рабочей камеры 3 между разошедшимися элементами 10.
Давление газа на разгонный поршень 35 в начальный период истечения из рабочей камеры 3 имеет неравномерный турбулентный характер, воздействуя сначала на стенки 37 стакана поршня 35, способствуя плавному ускоренному перемещению без перекосов. При полном вскрытии зазора между заглушкой 7 и разгонным поршнем 35 давление рабочей камеры 3 прикладывается ко всей поверхности разгонного поршня 35, процесс существенно ускоряется. Поршень 35 выталкивает жидкость из ствола 31, придавая ей высокий уровень кинетической энергии к моменту торможения у пояска 32. При торможении поршня 35 в момент вхождения кольцевого конического выступа 36 в проточку 33 возникает отрыв ускоренного объема жидкости и образование кавитационной полости по периметру пояска 32 ствола 31 без нарушения сплошности и целостности конструкции, что регулируется по скорости (усилию) торможения дросселем 43. Ее последующее схлопывание приводит к образованию мощных коротких сейсмических волн с широким спектром в диапазоне частот 100-10000 Гц. Параметры процесса зависят от множества факторов: величины рабочего давления газа, которое может быть очень различным, объема рабочей камеры 3, длины разгонной части ствола 31, а также его диаметра и могут быть определены только экспериментально.
Глубина хода кольца 13 поршня в управляющей камере 15 определяется массой оставшегося после выпуска газа электропневмоклапаном 11, т.е. длительностью электрического импульса, что определяет в известной мере возможность регулирования процесса освобождения рабочей камеры 3. После завершения выхлопа газа, имеющего быстрый взрывной характер, и закрытия электропневмоклапана 11 избыток газа истекает через дроссельное отверстие 34, а процесс накопления повторяется до подачи следующего импульса.
Излучатель "ГЕОХИ - ТОН" (вариант V, фиг. 9, 10, 11) работает следующим образом.
Начальный период работы описан выше, иллюстрируется диаграммами на фиг. 2, 3, 4 и в деталях совпадает с порядком работы излучателя "ГЕОХИ - КАВИТОН".
При движении разгонного поршня 35 через щелевидные сопла 47 истекают высоконапорные струи жидкости на соответствующие резонаторные пластины 48. Спустя некоторое время скорость струй стабилизируется и при совпадении резонансных их параметров и резонаторных пластин 48 (что осуществляется соответствующей настройкой) в среде возбуждается интенсивное тонально-импульсное колебание с длительностью процесса, равное времени перемещения разгонного поршня 35 до крайнего положения (поясок 32 ствола 31). Процесс генерации звука иллюстрируется фиг. 11, где показаны синфазные смещения резонансных пластин относительно положения равновесия, а также дана суммарная диаграмма направленности. Для сравнения на фиг. 10 дана диаграмма направленности для одной резонансной пластины. При торможении поршня 35 в момент вхождения кольцевого конического выступа 36 в проточку 33 возникает резкое падение скорости истечения и срыв колебаний без нарушения сплошности и целостности конструкции, что регулируется по скорости (усилию) торможения дросселем 43.
Глубина хода кольца 13 поршня в управляющей камере 5 определяется массой оставшегося после выпуска газа электропневмоклапаном 11, т.е. длительностью электрического импульса, что определяет в известной мере возможность регулирования процесса освобождения рабочей камеры 3, т.е. возможность регулирования, например, длительности тонального импульса. После завершения выхлопа газа, имеющего быстрый взрывной характер, и закрытия электропневмоклапана 11 избыток газа истекает через дроссельное отверстие 34, а процесс накопления повторяется до подачи следующего импульса.
Учитывая, что перпендикулярно направленные колебания не интерферируют, а их мощности алгебраически складываются, как результат - повышается удельная отдача по мощности на один излучатель (или его рабочий объем). Излучатель обеспечивает генерацию тонально-импульсных сигналов в диапазоне 100-5000 Гц.
Излучатель "ГЕОХИ - ТОН" (вариант VI, фиг. 12) работает следующим образом.
Начальный период работы описан выше, иллюстрируется диаграммами на фиг. 2, 3, 4 и в деталях совпадает с порядком работы излучателя "ГЕОХИ - КАВИТОН".
При движении разгонного поршня 35 посредством кольцевого сопла 55 формируется кольцевая напорная струя жидкости, которая при падении на острую кромку 60 резонаторного стакана 59, при совпадении резонансов струи и стакана 59 возбуждаются интенсивные акустические волны повышенной частоты. Для настройки служит втулка 56 и стержень 52, перемещаемые относительно друг друга, что способствует возможности изменения длины струи и высоты резонатора. Расположенные друг против друга кольцевые лунки 54 и 58 отражателей стержня 52 и втулки 56 обеспечивают направленную циркуляцию жидкости и ее повторное использование для генерации звука. Как результат уменьшается расход жидкости для возбуждения резонаторов и как следствие акустическая производительность излучателя. Излучатель генерирует тонально-импульсные сигналы повышенной частоты в диапазоне 1-50 кГц.
Выполнение в излучателе "ГЕОХИ - ПНЕВМО" поршня в виде цилиндрического кольца с фланцем, установленного с возможностью перемещения вдоль корпуса по управляющей камере, позволяет:
- увеличить (и регулировать) объем реализуемого во время выхлопа газа, т. к. масса газа оставшегося в управляющей камере после сброса (или сила возвращающей пружины) регулируется с помощью длительности импульса электропневмоклапана;
- увеличить скорость вскрытия рабочей камеры, т.к. вскрывающая сила в начальный момент вскрытия пропорциональна соотношению давлений в рабочей и управляющей камерах и площади фланца поршня, и также может регулироваться посредством длительности импульса электропневмоклапана;
- уменьшить нагрузку на элементы конструкции, мощность электропневмоклапана, т. к. действующее сжимающее напряжение определяется положением зоны уплотнения острой вершины сечения вскрывающего элемента в пределах торца поршня, и может быть сведено до нуля.
Выполнение вскрывающих элементов в виде колец, размещенных с внешней или внутренней стороны корпуса, обеспечивает равномерное и одновременное вскрытие рабочей камеры по всей ее поверхности, увеличение скорости и площади вскрытия, а также повышение объема реализации газа в среду.
Выполнение колец вскрывающих элементов с внешним диаметром, превышающим внешний диаметр кольца поршня, позволяет увеличить скорость вскрытия рабочей камеры за счет резкого увеличения растягивающих (вскрывающих) сил при разгерметизации, пропорциональных разнице произведений: площади фланца поршня на рабочее давление и площади торца поршня на давление сброса в управляющей камере.
Выполнение колец вскрывающих элементов с фигурным сечением в виде прямоугольного треугольника, прямой угол которого направлен в сторону заглушки, вершины скруглены, а одна из вершин обращена к фланцу поршня, позволяет обеспечить надежное локальное уплотнение, например, металл по металлу. При этом расположение уплотняющей острой вершины сечения между внутренним и внешним диаметрами кольца поршня обеспечивает возможность работы излучателя в ждущем режиме и стабильность уплотнений. Кроме того, означенное фигурное сечение придает дополнительный импульс силы в начальный момент вскрытия камеры, что увеличивает ее скорость вскрытия.
В излучателе для гарантированного увеличения силы вскрытия рабочей камеры внешние диаметры фланца поршня и колец вскрывающих элементов выбирают не менее 1,2 диаметров цилиндра поршня.
В излучателе обеспечивается равномерный износ всех подвижных элементов, эквивалентная работа которых определяется наличием фланца поршня и профилем съемной заглушки, подобным профилю вскрывающих элементов.
В излучателе значительно увеличивается скорость вскрытия рабочей камеры и долговечность конструкции путем изготовления вскрывающих колец из материала с низкой плотностью и высокой износостойкостью, выбираемого, например, из ряда титановых или алюминиевых сплавов или композитных материалов.
В излучателе улучшаются динамические характеристики вскрытия и посадки в статическое состояние применением подвижного торцевого уплотнения, которое обеспечивает минимальное сопротивление при движении вдоль управляющей камеры и надежное уплотнение по ее боковым поверхностям.
В излучателе повышенная прочность конструкции на осевое растяжение и минимальное сопротивление потоку истекающего из рабочей камеры сжатого газа обеспечивается выполнением выхлопных окон корпуса в виде продольных щелей.
В излучателе выполнение сечений каналов подвода сжатого газа от источника к камере управления и затем к рабочей камере в 2-3 раза меньше, чем каналa от электропневмоклапана к камере управления, позволяет медленно накапливать объем рабочей камеры, при более быстром заполнении до рабочего давления управляющей камеры, что обеспечивает:
- плавное уплотнение вскрывающих элементов с постепенным нарастанием усилия (тонкий канал от источника к управляющей камере);
- значительное превышение усилия уплотнения в начальный период накопления рабочей камеры (тонкий канал от камеры управления к рабочей), что важно для надежности уплотнений в условиях малых давлений;
- при работе электропневмоклапана уменьшить влияние рабочей камеры и источника сжатого газа на процесс сброса газа из управляющей камеры по каналу большого сечения.
Излучателю "ГЕОХИ - АВТОПНЕВМО" присущи все вышеперечисленные преимущества излучателя "ГЕОХИ - ПНЕВМО".
Кроме того, выполнение его с расположением уплотняющих вершин вскрывающих элементов между внешними диаметрами кольца и фланца поршня позволяет, при определенном выборе конструктивных особенностей излучателя, генерировать либо квазигармонические автоколебания, либо периодическую последовательность одиночных сейсмических импульсов.
Излучателю "ГЕОХИ - ПРОПАН" присущи все вышеперечисленные преимущества излучателя "ГЕОХИ - ПНЕВМО".
Кроме того, дополнительное его оснащение, по сравнению с излучателем "ГЕОХИ - ПНЕВМО", узлами, позволяющими использовать для возбуждения сейсмических волн разнообразные стехиометрические горючие и детонирующие смеси, актуально для использования его особенно в труднодоступных районах и условиях пониженных температур. Конструкцию можно использовать в качестве универсального пневмопривода для всех предложенных модификаций излучателей.
Излучателю "ГЕОХИ - КАВИТОН" присущи все вышеперечисленные преимущества излучателя "ГЕОХИ - ПНЕВМО", а дополнительное оснащение его по сравнению с излучателем "ГЕОХИ - ПНЕВМО" стволом, разгонным поршнем и механизмом возврата разгонного поршня обеспечивает возможность генерации коротких кавитационных импульсов.
Излучателю "ГЕОХИ - ТОН" присущи все вышеперечисленные преимущества излучателя "ГЕОХИ - ПНЕВМО" и "ГЕОХИ - КАВИТОН", а оснащение его блоком резонатора позволяет в случае выполнения блока резонатора с двумя парами резонансных пластин, не взаимодействующих между собой, генерировать тонально-импульсные сигналы и повысить удельную мощность излучателя, а в случае выполнения блока резонатора с резонаторным стаканом и отражателями с кольцевыми лунками генерировать тонально-импульсные сигналы более высоких частот и увеличить производительность излучателя.
Использование изобретения позволит улучшить эксплуатационные характеристики излучателя, как за счет увеличения эффективности излучения, так и повышения надежности и долговечности его работы, а также возможности генерировать различные типы сигналов: отдельные сейсмические и квазигармонические, короткие кавитационные импульсы и тонально-импульсные сигналы, в том числе повышенных частот.
Кроме того, использование универсального пневмопривода (варианты I, II, III), отличающегося небольшой металлоемкостью для заданного рабочего объема, перекрывая широкий спектр различных задач сейсморазведки, гидроакустики, также и технологических процессов, позволит уменьшить общую металлоемкость набора излучателей путем оснащения одного пневмопривода различными съемными блоками.
Использование: в сейсморазведке, гидроакустике и для интенсификации различных технологических процессов. Сущность изобретения: сейсмический излучатель содержит корпус, имеющий полый цилиндр с выхлопными окнами в его стенках, образующий рабочую камеру. Торцевая часть корпуса имеет управляющую камеру, соединенную каналом с рабочей камерой. Заглушка закреплена на цилиндре корпуса. Вскрывающие элементы установлены напротив выхлопных окон цилиндра с возможностью перемещения вдоль оси корпуса. Электропневмоклапан соединен каналом с управляющей камерой и снабжен поршнем, установленным с возможностью перемещения вдоль оси корпуса. Поршень выполнен в виде цилиндрического кольца с фланцем. Управляющая камера выполнена в виде кольцевой полости. Торец кольца поршня расположен в кольцевой полости управляющей камеры. Поршень и вскрывающие элементы размещены коаксиально с внешней или внутренней стороны цилиндра корпуса. Вскрывающие элементы представляют собой кольца, выполненные с внешним диаметром, превышающим внешний диаметр кольца поршня, и имеющие в сечении прямоугольный треугольник, прямой угол которого направлен в сторону заглушки. Вершины его острых углов скруглены, причем одна из вершин обращена к фланцу поршня и расположена между внутренним и внешним диаметрами кольца поршня. Технический результат: повышение сейсмической эффективности работы излучения и улучшение его эксплуатационных характеристик. 5 с. и 38 з.п. ф-лы, 12 ил.
| RU 1025245 А1, 27.11.1996 | |||
| ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ | 1991 |
|
RU2017174C1 |
| Пневматический адаптивный фильтр | 1977 |
|
SU661557A1 |
| Автоматический огнетушитель | 0 |
|
SU92A1 |
| US 4556120 A, 03.12.1985 GB 2248299 A, 01.04.1992, | |||
