СЕЙСМИЧЕСКИЙ ПНЕВМОИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК G01V1/02 

Изобретение относится к сейсморазведке и предназначено для возбуждения упругих колебаний в водной среде путем реализации в нее порции сжатого воздуха в заданный момент времени. Преимущественная область использования в морской сейсморазведке.

Известен сейсмический пнемоизлучатель [1], содержащий корпус, подвижный поршень, накопительную камеру, подвижное подпружиненное уплотнительное кольцо из твердого полимера с металлической обоймой, установленное с возможностью их ограниченного продольного перемещения и уплотненное радиально полимерным кольцом на стенке корпуса накопительной камеры, циклично уплотняющее эту камеру путем посадки его на поршень. Недостатком устройства является его недолговечность из-за частой поломки пружин, в результате которой разрушаются уплотнительные поверхности деталей их осколками, после этого эти детали подлежат только замене на новые, высокие требования к точности и чистоте поверхностей при изготовлении, требование применения фильтрации сжатого воздуха, а также быстрое изнашивание уплотнительного полимерного кольца его радиального уплотнения в корпусе накопительной камеры.

В качестве прототипа выбран сейсмический пневмоизлучатель [2], содержащий корпус накопительной камеры, подвижный составной поршень с металлическим и полимерным с выступом его элементами и металлическим подвижным в ограниченных пределах уплотнительным кольцом, уплотненным радиально эластичным кольцом на стенке корпуса накопительной камеры. Недостатком устройства является также его недолговечность из-за разрушения металлического кольца, а также быстрое изнашивание эластичного кольца его радиального уплотнения в корпусе накопительной камеры.

Сущность изобретения заключается в том, что в сейсмический пневмоизлучатель, содержащий корпус накопительной камеры с выходным окном, циклично герметизируемой от окружающей среды поршнем со ступенчатым выступом и подвижным в продольном направлении в ограниченных пределах кольцом с двумя различными внешними диаметрами, выполненными в виде бурта, в области пересечения поверхности торца кольца, обращенного во внутрь накопительной камеры и поверхности его большего наружного диаметра, введена кольцевая камера низкого давления, образованная выполненной на кольце или в стенке корпуса накопительной камеры кольцевой канавкой или щелью стыка сборки деталей корпуса накопительной камеры, сообщенная хотя бы одним каналом с окружающей средой, длина образующей внутренней поверхности вращения стенки накопительной камеры от крайних точек касания с ней полимерного кольца выполнена меньше длины образующей внешней поверхности вращения подвижного кольца между этими же точками, подвижное кольцо выполнено из полимерного эластичного материала, например полиуретана, резины, силиконовой резины, больший наружный диаметр его выполнен на 1-2% больше внутреннего диаметра сопрягаемой поверхности стенки корпуса накопительной камеры, при этом обеспечивают возможность переменного по амплитуде продольного перемещения элементов тела кольца от максимальной ее величины на торце кольца, обращенного во вне накопительной камеры по направлению к поршню излучателя при действии высокого давления газа в ней, до нулевой на противоположном его торце за счет спрямления внешней образующей поверхности вращения кольца на величину, равную разности длин сопрягаемых образующих поверхностей вращения кольца и корпуса накопительной камеры, длину выступа поршня выполняют равной или большей этой разности, подвижное кольцо выполнено только гофрированным хотя бы по части его наружной поверхности, или только радиус сопряжения его бурта выполнен меньшим сопрягаемого с ним радиуса внутренней поверхности корпуса накопительной камеры, или оно выполнено и гофрированным, и с меньшим радиусом сопряжения бурта, отводной канал сообщения выполнен или в виде хотя бы одного отверстия в стенке корпуса накопительной камеры, или в виде стыка ее сборной стенки, или в виде продольного или спирального паза по наружной поверхности подвижного кольца, или их последовательно, параллельно или с параллельно-последовательно сообщенной совокупностью.

Использование изобретения позволяет повысить надежность и длительность эксплуатации излучателя в широком диапазоне рабочих давлений.

Изобретение поясняется чертежами, где дан пример общего вида сейсмического пневмоизлучателя в вертикальном положении с накопительной камерой, расположенной внизу, фиг.1 - три варианта выполнения отводных каналов сообщения камеры низкого давления в области нижнего торца кольца с окружающей средой, фиг. 2-4 - отводной канал в виде хотя бы одного отверстия, фиг.2, отводной канал в виде продольной канавки на наружной поверхности кольца, фиг.3, отводной канал в виде щели стыка сборной стенки корпуса накопительной камеры, которая является также совместно и камерой низкого давления, фиг.4. На фиг. 5-7 показаны три варианта выполнения формы кольца: кольцо с буртом, выемкой для камеры низкого давления и каналом в виде канавки на его поверхности, фиг.3, кольцо с буртом, выемкой для камеры низкого давления и перфорированное по меньшему диаметру его наружной поверхности, фиг.6, кольцо ступенчатого сечения, перфорированное по большему диаметру его наружной поверхности, без выемки на нем для камеры низкого давления в случае выполнения ее в стенке корпуса накопительной камеры или в виде стыка ее сборного корпуса, фиг. 7. Другие варианты сочетания элементов формы кольца, выполнения камеры низкого давления и отводных каналов из нее на чертежах не показаны.

Пневмоизлучатель содержит основание 1 с рабочей полостью 2, держатель 3 челнока 4 с двумя поршнями - верхним 5 и нижним 6, составленным из металлического элемента 7 и полимерного 8, имеющего выступ 9, соединенными полым штоком 10, установленным в подшипник скольжения 11, седло 12 верхнего поршня 5 с уплотнительным кольцом 13, полость выхлопа 14, накидную гайку 15, скрепляющую основание 1 с держателем 3 челнока, сменный баллон 16 накопительной камеры 17 различного объема с выходным окном 18, соединенный с держателем 3 челнока с помощью резьбы, выхлопные окна 19 в держателе 3 челнока, проходной канал 20 в штоке 10 челнока 4, полимерное эластичное кольцо 21, установленное его буртом 22 в проточку 23 держателя 3, имеющее выемку 24, образующую совместно с внутренней стенкой держателя 3, камеру низкого давления 25, сообщенную с окружающей средой каналом 26, электромагнитный пневмоклапан 27 с каналом 28 подачи сжатого воздуха в него, перепускные выемки 29 в основании 1, запускающую камеру 30, сообщенную с выходом электромагнитного пневмоклапана 27 каналом 31 и с окружающей средой каналом 32, канал 33 подачи сжатого воздуха в излучатель, уплотнительное кольцо 34, герметизирующее баллон 16 накопительной камеры 17. Уплотняющий диаметр верхнего поршня 5 больше уплотняющего диаметра нижнего поршня 4, равного внутреннему диаметру цилиндрической поверхности держателя 3 челнока, сопрягающейся с внешней поверхностью кольца 21 меньшего диаметра.

Излучатель работает в двух режимах: подготовительном и эксплуатационном.

В подготовительном режиме электромагнитный пневмоклапан 27 закрыт и по каналу 33 в излучатель подают сжатый воздух, в рабочей полости 2 возникает избыточное давление, в результате действия которого на площадь штока 10 челнока 4 он перемещается вниз и его верхний поршень 5 прижимается к своему седлу 12 и герметизирует рабочую полость 2 с помощью кольца 13. При этом выступ 9 полимерного элемента 8 нижнего поршня 6 перекрывает окно 18 накопительной камеры с зазорами. Пока накопительная камера не уплотнена, образуется стационарный поток сжатого воздуха из рабочей полости 2 через полый шток 10 челнока 4 по каналу 20, накопительной камере 17, цилиндрическому зазору между эластичным кольцом 21 и выступом 9 полимерного элемента 8 нижнего поршня, торцевому - между верхним торцом кольца 21 и торцом ступени полимерного элемента 8 нижнего поршня и цилиндрическому между ним и внутренней стенкой держателя 3 челнока. При этом давление воздуха в накопительной камере нарастает. В результате действия этого давления на нижний торец кольца 21 и его боковую внутреннюю поверхность оно деформируется, облекая своей внешней поверхностью сопрягающуюся поверхность внутренней стенки держателя 3 челнока, длина образующей которой меньше длины образующей внешней поверхности кольца 21. В результате его верхний торец перемещается вверх, а полимерный элемент 9 нижнего поршня 6 расширяется, величины проходных сечений через зазоры уменьшаются и давление в накопительной камере 17 увеличивается. Этот процесс протекает с положительной обратной связью: чем выше давление в накопительной камере 17, тем меньше проходные сечения через зазоры, тем еще выше давление в ней и т.д. до ее полной герметизации. Далее происходит накопление сжатого воздуха в накопительной камере 17 и повышение давления в ней до рабочего.

Эксплуатационный режим работы излучателя включает четыре такта: "накопление", "ожидание", "выхлоп", "возврат", которые циклически повторяются.

В такте "накопление" происходит процесс, аналогичный описанному в конце подготовительного режима, но протекающий с большей скоростью.

В такте "ожидание" электромагнитный пневмоклапан 17 закрыт, рабочая полость 2 герметизирована от окружающей среды верхним поршнем 5 челнока 4 и уплотнительным кольцом 13, накопительная камера 17 герметизирована от окружающей среды уплотнительным кольцом 34, полимерным элементом 8 нижнего поршня 6 челнока 4 и деформированным эластичным кольцом 21. Во всех внутренних полостях излучателя давление сжатого воздуха одинаково, а челнок 4 находится в крайнем нижнем устойчивом положении за счет разности площадей кругов уплотняемых диаметров верхнего 5 и нижнего 6 поршней челнока 4.

Такт "выхлоп" начинается с подачи через электропневмоклапан 27 в заданный момент времени порции сжатого воздуха по каналу 31 в камеру запуска 30. Давление сжатого воздуха над верхним поршнем 5 челнока 4 и под ним выравнивается и на челнок действует сила, определяемая разностью площадей его штока и площади выходного окна 18, которая перемещает челнок вверх. Происходит вскрытие накопительной камеры и сжатый воздух реализуется в окружающую среду через выхлопные окна 19 держателя 3 челнока 4. Давление в накопительной камере падает, а в рабочей полости растет. В результате скорость движения челнока снижается до нулевой. Ускорение скорости вскрытия обеспечивается перепускными выемками 29, а демпфирование скорости движения челнока в конце такта "выхлоп" происходит при полном проходе их зоны верхним поршнем 5.

В такте "возврат" происходят те же процессы, что и в подготовительном режиме излучателя, но с большей скоростью. Демпфирование скорости челнока при посадке верхнего поршня 5 на свое седло 12 также обеспечивается после прохода им зоны перепускных выемок. Излишки сжатого воздуха из камеры запуска дросселируются в окружающую среду по каналу 32. За счет изменения формы эластичного кольца 21 и его деформации под давлением его верхний торец отслеживает изменение положения ответной поверхности деформирующегося под давлением полимерного элемента 8 нижнего поршня 6 челнока 4, что и обеспечивает надежную герметизацию накопительной камеры 17.

Далее циклы повторяются. За счет отвода воздуха из камеры низкого давления 25 под кольцом 21 по каналу 26 в окружающую среду оно всегда находится в прижатом состоянии к дну проточки 23, что и исключает возможность его сбрасывания при такте "выхлоп".

По сравнению с прототипом предложенное техническое решение позволяет значительно повысить длительность непрерывной эксплуатации и надежность сейсмического пневмоизлучателя за счет исключения радиального уплотнения и применения принципа торцового уплотнения полимерного эластомера по полимерному эластомеру.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Prakla-seismos GMBH Buchholzer str. 100 P.O.B.510530 D-3000 Hannover 51 CABLE: Prakia Germany Copyrigt PRAKLA-SEISMOS GMBH, Gannover, 1984.

2. Патент РФ 2109310, G 01 V 1/137, 20.04.1998.

Использование: в морской сейсморазведке. Сущность: пневмоизлучатель содержит накопительную камеру с выходным окном, циклично герметизируемую от окружающей среды полимерным элементом поршня со ступенчатым выступом и эластичным кольцом Г-образного или ступенчатого сечения, гофрированным хотя бы на его части. Технический результат: повышение надежности и длительности непрерывной эксплуатации излучателя и снижение стоимости его изготовления. 2 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Сейсмический пневмоизлучатель, содержащий корпус накопительной камеры с выходным окном, циклично герметизируемой от окружающей среды поршнем со ступенчатым выступом и подвижным в продольном направлении в ограниченных пределах кольцом с двумя различными внешними диаметрами, выполненными в виде бурта, отличающийся тем, что в области пересечения поверхности торца кольца, обращенного во внутрь накопительной камеры, и поверхности его большего наружного диаметра в пневмоизлучатель введена кольцевая камера низкого давления, образованная выполненной на кольце или в стенке корпуса накопительной камеры кольцевой канавкой или щелью стыка сборки деталей корпуса накопительной камеры, сообщенная хотя бы одним каналом с окружающей средой, длина образующей внутренней поверхности вращения стенки накопительной камеры от крайних точек касания с ней полимерного кольца выполнена меньше длины образующей внешней поверхности вращения подвижного кольца между этими же точками, подвижное кольцо выполнено из полимерного эластичного материала, например полиуретана, резины, силиконовой резины, а больший наружный диаметр его выполнен на 1-2% больше внутреннего диаметра сопрягаемой поверхности стенки корпуса накопительной камеры, при этом обеспечивают возможность переменного по амплитуде продольного перемещения элементов тела кольца от максимальной ее величины на торце кольца, расположенного вне накопительной камеры, по направлению к поршню излучателя при действии высокого давления газа в ней до нулевой на противоположном его торце за счет спрямления внешней образующей поверхности вращения кольца на величину, равную разности длин сопрягаемых образующих поверхностей вращения кольца и корпуса накопительной камеры, а длину выступа поршня выполняют равной или большей этой разности. 2. Сейсмический пневмоизлучатель по п. 1, отличающийся тем, что подвижное кольцо выполнено только гофрированным хотя бы на части его наружной поверхности, или только радиус сопряжения его бурта выполнен меньшим сопрягаемого с ним радиуса внутренней поверхности корпуса накопительной камеры, или оно выполнено и гофрированным, и с меньшим радиусом сопряжения бурта. 3. Сейсмический пневмоизлучатель по п. 1, отличающийся тем, что отводной канал сообщения выполнен или в виде хотя бы одного отверстия в стенке корпуса накопительной камеры, или в виде стыка ее сборной стенки, или в виде продольного или спирального паза на наружной поверхности подвижного кольца, или их последовательно, параллельно или параллельно-последовательно сообщенной совокупностью.