Устройство для электрогидравлического бурения горных пород Советский патент 1990 года по МПК E21C37/18 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к электрогидравлическим бурам, и может быть использовано при строительстве подземных сооружений в горных породах средней и высшей степени крепости.

Цель изобретения - увеличение КПД за счет утилизации энергии разряда.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство, продольный разрез; на фиг. 2 - принципиальная электрическая схема генератора импульсов тока; на фиг.З - топливный насос, продольный разрез; на фиг.4 - преобразователь механической энергии в электрическую; на фиг.5 - фрагмент развертки гидротурбины двухстороннего действия.

Устройство для электрогидравлического бурения горных пород содержит корпус 1 с породоразрушающим инструментом 2, рабочий цилиндр 3 с ударным поршнем 4 и электроразрядной камерой 5, генератор 6 импульсов тока с управляемым разрядником 7, расширительный цилиндр 8 с пор ш- нем 9, связанным с преобразователем 10 механической энергии в электрическую, впускными 11 и выпускными 12 окнами и приспособлением 13 для подачи в электроразрядный промежуток 14 топлива и окислителя с управляемым клапаном 15.

Корпус 1 имеет верхние переходники 16 и 17 для соединения с буровым ставом, состоящим из коаксиально расположенных внешних и внутренних бурильных труб, и нижний переходник 18 для соединения с породоразрушающим инструментом 2, тип которого выбирается в зависимости от категории пород по буримости.

Рабочий цилиндр 3 в нижней части имеет полость 19 с пружиной 20, заполненную тормозной жидкостью 21, обеспечивающую возврат ударного поршня 4 в исходное положение. Ударный поршень 4 снабжен уп- лотнительными кольцами 22 и полусферическим бойком 23.

Электроразрядная камера 5 снабжена электродами 24 и 25, соединенными с выходом 26 генератора 6 импульсов тока, и заполнена рабочей жидкостью 27. Для уменьшения площади смачивания электроды 24 и 25 заключены в диэлектрические втулки 28 и 29, например, из полиэтилена. В качестве рабочей жидкости 27 может быть использована техническая вода. Для восполнения убыли рабочей жидкости 27 предусмотрен коленчатый канал, соединяющий внутреннюю полость 30 электроразрядной камеры 5 с источником (не показан).

Генератор 6 импульсов тока состоит из высоковольтного выпрямителя 31, включающего повышающий трехфазный трансформатор 32 и полупроводниковые силовые диоды 33, накопительной емкости 34, управляемого разрядника 7 с подвижным элементом 35 и высоковольтных блокировок 36 и 37. Подвижный элемент 35 установлен в расширительном цилиндре 8 с возможностью взаимодействия с его поршнем 9 в процессе работы.

Расширительный цилиндр В установлен на электроразрядной камере 5 и открыт в сторону электроразрядного промежутка 14. Поршень 9 снабжен уплотнительными кольцами 38.

Преобразователь 10 механической энергии в электрическую соединен с входом 39 генератора 6 импульсов тока и выполнен G виде гидротурбины 40 двухстороннего действия, установленной в надпоршневой полости 41 расширительного цилиндра 8, и электрогенераторов 42, размещенных в центральном теле 43 гидротурбины 40. Гидротурбина 40 двухстороннего действия имеет симметричные относительно плоскости 44 вращения лопатки 45-47 ротора 48 и направляющих аппаратов 49 и 50. Ротор 48 гидротурбины 40 установлен с возможностью вращения вокруг продольной оси 51 расширительного цилиндра 8 посредством подшипниковых опор 52 и 53. Роторы 54 электрогенераторов 42 связаны с ротором 48 гидротурбины 40 посредством трубчатой ступицы 55, сквозь которую пропущен шток 56, закрепленный на поршне 9 и снабженный крышкой 57. Связь поршня 9 с гидротурбиной 40 осуществляется столбом 58 жидкости, заполняющей надпоршневую полость 41. Соединение преобразователя 10 с входом 39 генератора 6 импульсов тока достигается соединением с ним выходных клемм электрогенераторов 42 посредством силовых кабелей (не показаны).

Впускные окна 11 сообщены с центральным каналом 59 посредством трубопровода 60 и служат для подачи в подпоршневую полость 61 расширительного цилиндра 8 заряда свежего атмосферного воздуха. Выпускные окна 12 сообщениях; периферийным каналом 62 посредством трубопровода 63 и служат для удаления отработавших газов. Выпускные окна 12 расположены несколько ниже впускных окон 11 для обеспечения продувки подпоршне- вой полости 61 по бесклапанной петлевой схеме газообмена.

Приспособление 13 для подачи в электроразрядный промежуток 14 топлива и окислителя выполнено в виде топливного насоса 64, содержащего плунжер 65 с пружиной 66, толкатель 67 с рычагом 68, взаимодействующим с поршнем 9 расширительного цилиндра 8, канал 69 для подачи топлива, проведенный в электроде 24, управляемый т лапан 15 и регулировочную иглу 70 с фиксатором 71. Вход топливного насоса 64 подключен к расходному топливному баку 72 посредством трубопровода 73.

При использовании в качестве окислителя атмосферного воздуха предусмотрен трубопровод 74, связывающий электроразрядный промежуток 14 с подпоршневой полостью 61 через канал (не показан) в электроде 25 и воздушный клапан 75.

Для запуска устройства предусмотрена головка 76, установленная на крышке 57, служащая для первоначального подъема поршня 9 расширительного цилиндра 8 при помощи ловителя, который опускается по буровому ставу на канате.

Устройство для злектрогидравлическо- го бурения ropHi.ix пород работает следующим образом.

Рабочими телами и агентами устройства являются рабочая жидкость 27, например, техническая вода, заполняющая электроразрядную камеру 5, заполняющая надпоршневую полость 41 жидкость 58, 45 например, маловязкое минеральное масло. Рабочая жидкость 27 заливается в электроразрядную камеру 5 и заполняет ее внутреннюю полость 30 через коленчатый канал (не показан).

50 Электрический ток вырабатывается электрогенераторами 42, приводимыми во вращение гидротурбиной 40 двухстороннего действия, и подается на вход 39 генератора 6 импульсов тока по силовым кабелям (не пока- 55 заны) для заряда накопительной емкости 34. Жидкость 58 надпоршневой полости 41 взаимодействует с гидротурбиной 40 двухстороннего действия. Б- результате возвратно- поступательного движения поршня 9 в расширительном цилиндре 8 столб жидкости 58 надпоршневой полости 41 совершает гармонические колебания и приводит ротор 48 гидротурбины 40 двухстороннего действия в одностороннее равномерное вращение. 5Импульсы тока вырабатываются генератором 6 импульсов тока в результате быстрого разряда предварительно заряженной накопительной емкости 34 через управляемый разрядник 7 и подаются на электроды 10 24 и 25 электроразрядной камеры 5, заполненной рабочей жидкостью 27, в момент достижения поршнем 9 расширительного цилиндра 8 нижней мертвой точки (н.м.т.).

Топливо поступает из расходного топ- 15 ливного бака 72 по трубопроводу 73 и под высоким давлением впрыскивается топливным насосом 64 через канал 69 в кавитаци- онную полость электроразрядного промежутка 14 вместе со сжатым атмосфер- 0 ным воздухом в момент взаимодействия ры- чага 68 с поршнем 9 расширительного цилиндра 8, находящимся вблизи н.м.т.

Атмосферный воздух поступает через центральный канал 59, трубопровод 60 и 5 впускные окна 11 и подпоршневую полость 61 расширительного цилиндра 8 при движении поршня 9 вверх к верхней мертвой точке (в.м.т.), сжимается в подпоршневой полости 61 расширительного цилиндра 8 при движе- 0 НИИ поршня 9 вниз к н.м.т. и частично поступает в кавитационную полость электроразрядного промежутка 14 вместе с топливом через трубопровод 74 и воздушный клапан 75. При движении поршня 9 5 вниз к н.м.т. уровень рабочей жидкости 27 во внутренней полости 30 электроразрядной камеры 5 остается неизменным благодаря противодействию пружины 20 и тормозной жидкости 21 в полости 19. 0 Электрический разряд возникает в заполненной рабочей жидкостью 27 внутренней полости 30 электроразрядной камеры 5 а результате электрического пробоя электроразрядного промежутка 14 импульсами тока, которые подаются на электроды 24 и 25 от генератора 6 импульсов тока.

Электрогидравлические ударные волны возникают в заполняющей внутреннюю полость 30 электроразрядной камеры 5 рабочей жидкости 27 в результате проявления термоэлектрогидравлического эффекта, ме- ханически действуют на ударный поршень 4, который, преодолевая противодействие пружины 20 и тормозной жидкости 21 в полости 19, полусферическим бойком 23 через породоразрушающий инструмент 2 на- носит удар и производит разрушение горных пород на забое скважины. При этом генерируются вибрационные импульсы широкого диапазона частот, интенсифицирующие процесс бурения.

Пар и газообразные продукты сгорания образуются в кавитационной полости и в подпоршневой полости 61 расширительного цилиндра В при нахождении поршня 9 вблизи н.м.т, в результате взаимодействия рабочей жидкости 27, атмосферного воздуха и распыленного топлива с электрическим разрядом, испарения рабочей жидкости 27 и сгорания топлива. Пар и газообразные продукты сгорания топлива имеют большую внутреннюю энергию из-за трансформации химической энергии топлива и электромагнитной энергии электрического разряда в теплоту. При их расширении в подпоршневой полости 61 расширительного цилиндра 8 внутренняя энергия трансформируется в механическую работу и поршень 9 вместе со столбом жидкости 58 движется вверх к в.м.т..накапливая потенциальную энергию, которая переходит в кинетическую энергию при движении поршня 9 вместе со столбом жидкости 58 вниз к н.м.т. и расходуется как на вращение ротора 48 гидротурбины 40 двухстороннего действия и роторов 54 электрогенераторов 42, так и на сжатие атмос- ферного воздуха в подпоршневой полости 61 расширительного цилинра 8.

Выпускные газы образуются из расширенных в подпоршневой полости 61 расширительного цилиндра 8 пара и газообразных продуктов сгорания топлива и выбрасываются при движении поршня 9 вверх к в.м.т. через выпускные окна 12, трубопровод 63, периферийный канал 62 и буровой став.

Тормозная жидкость 21, заполняющая полость 19, обеспечивает неизменность уровня рабочей жидкости 27 в электроразрядной камере 5 при движении поршня 9 вниз к н.м.т. и возврат ударного поршня 4

после нанесения удара в исходное положение при движении поршня 9 расширительного цилиндра 8 вверх к в.м.т.

Динамика комбинированного термоэлектрогидравлического процесса следующая. В результате электрического пробоя электроразрядного проме Кутка возникает растущий стример, образуется кавитацион- ная полость, в которую подается распыленное топливо и сжатый горячий воздух, кавитационная полость увеличивается, достигает поверхности рабочей жидкости 27 и сообщается с подпоршневой полостью 61 расширительного цилиндра 8, образующиеся пар рабочей жидкости 27 и газообразные продукты сгорания топлива расширяются в подпоршневой полости 61 расширительного цилиндра 8, а кавитационная полость схлопывается.

В предлагаемом устройстве осуществляется комбинированный термоэлектро- гидравлический цикл, состоящий из термодинамического цикла с внутренним подводом теплоты и паросилового цикла, которые создают условия для осуществления электрогидравлического цикла. В свою очередь, электрогидравлический цикл создает предпосылки для осуществления термодинамического цикла с внутренним подводом теплоты и паросилового цикла.

Формула изобретения

Устройство для электрогидравлического бурения горных пород, включающее корпус, связанный с ним рабочий цилидр с ударным поршнем и электроразрядной камерой, электроды которой соединены с выходом генератора импульсов тока посредством управляемого разрядника с подвижным элементом, и породоразрушающий инструмент, отличающееся : тем, что, с целью увеличения КПД за счет утилизации энергии разряда, оно снабжено имеющим впускные и выпускные окна расширительным цилиндром с поршнем, преобразователем механической энергии в электрическую и приспособлением для подачи в электроразрядную камеру топлива и окислителя с управляемым клапаном, имеющим подвижный элемент, причем расширительный цилиндр выполнен открытым к электроразрядной камере и установлен над ней, а его поршень связан с размещенным в расширительном цилиндре преобразователем, который связан с генератором импульсов тока, при этом подвижные элементы управляемого разрядника и управляемого клапана установлены в корпусе с. возможностью взаимодействия с поршнем расширительного цилиндра.

Фиг. 2.

Изобретение относится к горной промышленности, предназначено для электрогидравлического бурения и может быть использовано при строительстве подземных сооружений. Цель изобретения - повышение КПД за счет утилизации энергии разряда. Устройство содержит корпус 1 с породоразрушающим инструментом 2, рабочий цилиндр 3 с ударным поршнем (П) 4 и электроразрядной камерой (ЭРК) 5, генератор импульсов тока (ГИТ) 6 с управляемым разрядником 7, расширительный цилиндр 8 с П 9, связанным с преобразователем 10 механической энергии в электрическую, впускными 11 и выпускными 12 окнами и приспособлением 13 для подачи в ЭРК 5 топлива и окислителя с управляемым клапаном. Причем ЭРК 5 снабжена электродами 24 и 25, соединенными с выходом ГИТ 6, и заполнена рабочей жидкостью 27. Преобразователь 10 соединен с входом ГИТ 6 и выполнен в виде гидротурбины двустороннего действия и электрогенераторов. Подвижные элементы управляемого разрядника 7 и топливного насоса установлены с возможностью взаимодействия с П 9. При подаче импульсов тока между электродами 24 и 25 возникает растущий стример и образуется кавитационная полость, в которую подаются топливо и окислитель. Образующиеся пар и газообразные продукты сгорания топлива расширяются в подпоршневой полости 61 при движении П 9 вверх. Перемещение П 9 преобразуется гидротурбиной 40 во вращение. Ударные волны ЭРК 5 обеспечивают бурение горных пород за счет ударов полусферического бойка 23 ударного П 4 и генерации вибрационных импульсов. 5 ил.

2ffФаг.З

15

50 tfl

5/

usM