NO760120L - - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår generelt boring av et hull i jordens overflate ved bruk av luft som sirkulasjonsraedium, og spesi-elt et forbedret apparat for dannelse av et stort volum av vakuum-indusert luft og en gjennomløpende åpning for gjennomløp av borekaks og indusert luft.

Det er kjent å benytte luft som borefluidum for sir-kulasjon av borekaksen til jordoverflaten. Det har også vært kjent å anvende et vakuumsystem for å fjerne borekaks istedenfor å benytte trykkluft. Videre er det kjent å danne et vakuum ved hjelp av et induksjonsapparat, f.eks. som vist i US patent nr. 3 031 127. Videre viser ovennevnte søknad bruken åv en ringformet venturidyse i et induksjonsapparat for å aksellerere motiveringsluften til overlydshastighet.forut for sammenblanding med den induserte luftstrøm.

Ved bruk av en trykkluftkilde som kan ha varierende luftstrømshastighet.vil imidlertid luftfallet over dysen variere og muligvis ligge under den optimale verdi.

Det er derfor et hovedformål ved foreliggende oppfinnelse å fremskaffe et nytt og forbedret induksjonsapparat.

Det er også et formål ved foreliggende oppfinnelse å fremskaffe et nytt og forbedret induksjonsapparat med en tilnærmet rett, gjennomgående åpning eller et løp for den induserte luft.

Disse formål oppnås generelt ved et apparat som benytter en trykkavhengig ringformet dyse med variabel åpning, hvilken dyse omgir et ytre løp, og hvilket apparat benytter en innsnevring og diffusordyse som divergerer med en bestemt vinkel for å aksellerere drivluften til overlydshastighet forut for sammenblanding med den induserte luft i det midtre løp.

Ovennevnte samt andre formål, trekk og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil fremgår av følgende beskrivelse og tegning, hvor:

Figur 1 viser et oppriss, delvis i snitt, av boresys-temet innbefattende induksjonsapparatet ifølge foreliggende oppfinnelse. Figur 2 er et skjematisk riss, delvis i snitt, som viser en sirkulasjonssvivel og borkrone festet til det dobbeltveggede borerør som anvendes ved induksjonsapparatet ifølge foreliggende oppfinnelse. Figur 3 viser et lengdesnitt gjennom induksjonsapparatet ifølge foreliggende oppfinnelse, og Figur 4 er et skjematisk riss i større målestokk og delvis i snitt, av styreapparatet vist i figur 3, ifølge foreliggende oppfinnelse.

På figur 1 er en grunnboringsmaskin, generelt angitt, ved henvisningsta Het 12, vist plasert på et borested. Grunnbo-ringsmaskinen 12 innbefatter et boretårn 8 som utgjør en bæreram-me. Et bevegelig drivhode eller en vandreramme 3 er montert for bevegelse langs tårnet 8. En borstrengenhet 10 er forbundet med 'drivhodet 3. Borstrengen 10 som er vist mer detaljert i fig. 2, omfatter et av to konsentriske rør bestående d<p>bbeltvegget bore-rør, f .eks. som vist i US patent nr. 3 208 5 39.

En svivel 11 som er vist i større detalj på fig. 2, er forbundet med borstrengens topparti og er på sin side festet til en fleksibel slange 13 som løper over et bærehjul 1 som er opphengt fra et par blokkskiver 5 og 6 festet til tårnet 8. Bærehjulets 1 radius tilsvarer omtrent bøyeradien til slangen 13. Dette gir en jevn strømningsradius for borekaks gjennom slangen 13. Bærehjulet 1 er roterbart opplagret på en aksel 14. Akselen 14 er forbundet med blokkskivene 5 og 6 over en forbindelses line 4.Forbindelses-linen 4 er også festet til en motvekt 7. Motvekten 7 gir en mot-vektskraft omtrent tilsvarende vekten av slangen 13.

Den fleksible slange 13 er i sin andre ende forbundet med induksjonsinnretningen som generelt er angitt ved tallet 15, idet denne innretning er vist i større detalj i. figur 3. Nedre ende av induksjonsinnretningen 15 er forbundet med et standrør 9 som ved hjelp av en klemme 16 er festet til tårnet 8.

Utløpsledningen 22 til en luftkompressor 21 er forbundet med innløpet 23 til en fordelingsventil som er generelt angitt ved tallet 24. En av utløps ledningene til fordelingsventilen 24 er forbundet med luftledningen 25 til motiveringsluftinnløpet 26 på induksjonsinnretningen 15. Det andre utløpet til fordelings ventilen 24 er ved hjelp av en luftledning 27, fortrinnsvis en fleksibel slange, forbundet med innløpet 28 til svivelen 11. Fordelingsventilen 24 innbefatter en rotor 29 som kan roteres av en operatør for å kontrollere hvorvidt luft strømmer gjennom ledningene 25 eller 27 samt graden av slik gjennomstrømning.

Lufttrykkventiler 51 og 52 er anordnet henholdsvis i luftledningene 27 og 25.

På figur 2 er svivelen 11 vist i større detalj. Svivelen 11 innbefatter et hus 31 som omgir det dobbeltveggede bore-rør 10 og er innrettet til å holdes stasjonært i forhold til det bevegelige drivhode 3 (vist i fig. 1) mens borerøret 10 kan rote-re i huset. Et par pakningselementer 32 og 33 er anordnet for av-tetting av trykkluften som innføres gjennom innløpsåpningen 28 og hindrer således lekkasje av trykkluft fra husets 31 indre. Et antall åpninger, vist som åpninger 34 og 35, er beliggende mellom pakningsringene 32 og 33 i ytterveggen 36 til den konsentriske borerørenhet 10. Åpningene 35 og 34 utgjør således organer som. gjør det mulig for trykkluften som kommer inn ved innløpsåpningen 28 å strømme fra husets 31 indre til ringrommet 39 mellom den ytre borerørvegg 36 og den indre borerørvegg 37.

En borkroneenhet, vist generelt ved tallet 38, er festet til nedre ende av borstrengenheten 10. Borkroneenheten 38 kan være av hvilken som helst kjent konstruksjon som tillater kommuni-kasjon mellom det ytre ringrom 39 og borehullet,, samt mellom borehullet og det indre ringrom 40 gjennom hvilket borekaksen returne-res til jordoverflaten.

Om ønskelig kan borkronen 38 være av en konstruksjon som angitt i US patent nr. 3 208 539.'

En pakningsenhet 42 er plasert mellom borerørenhetens utside og veggen 43 i borehullet av grunner som forklares nedenfor.

Med hensyn til virkemåten av apparatet ifølge figurene 1 og 2 skal det bemerkes at dersom ikke'' pakningen 42 vist i figur 2 danner en god tetning mellom borstrengen 10 og veggen 43 i borehullet, vil innføring av trykkluft i ringrommet 39 etter all sann-synlighet føre til at borekaksen 41 strømmer forbi pakningen 42 istedenfor opp gjennom midtrommet 40 i borerøret. Søkeren har en-kelte ganger hatt problemer med å skaffe en god tetning ved bruk av pakningen 42, særlig ved boring under arktiske forhold i områ-der med permafrost og i andre ukonsolliderte formasjoner.

Søkeren har imidlertid funnet, at dersom man holder vakuumet eller undertrykket i det midtre ringrom 40 sterkere.eller større enn trykkluften i ringrommet 39, basert på pr. volumenhet, vil borekaksen 41 strømme opp gjennom ringrommet 40 istedenfor å unnslippe forbi pakningen eller tetningen 42.

Boringen av et hull påbegynnes med det bevegelige drivhode 3 nær toppen av tårnet 8. Borstrengen 10 roteres og borkronen ved bunnen av borstrengen 10 desintegrerer jordformasjonene for dannelse av det ønskede borehull. Ettersom borehullet trenger dy-pere ned i grunnen beveges drivhodet 3 nedover. Idet trykkluft og/eller vakuum bevirker at borekaksen strømmer opp gjennom midtrommet 40, vil borekaksen og rester fra borehullet strømme opp gjennom den fleksible slange 13 inn i induksjonsinnretningen 15 og ut gjennom det buede standrør9 enten til jordoverflaten eller inn i en oppsamlingsvogn. Bærehjulet. 1 bærer forbindelseslangen 13. Under drivhodets 3 bevegelse nedover dreier bærehjulet 1 på aksen 14 slik at forbindelseslangen får en jevn bue. Motvekten 7 utøver en løftekraft på bærehjulet 1 og opprettholder et svakt strekk i begge ender av forbindelsesslangen 13. Forbindelsesslangen 13 holdes i vertikal stilling under drivhodets 3 bevegelse i tårnet 8.

Som vist i figur 1 styrer operatøren mengden av luft som strømmer til svivelen 11 samt til induksjonsinnretningen 15

ved å dreie rotoren 29. Ventilen 51 i luftledningen 27 som fører til svivelen 11 samt ventilen 52 i luftledningen 25 som fører til induksjonsinnretningen 15 utgjør organer for styring og kontroll av trykkluften som innføres i ringrommet 39 og undertrykket som dannes i det midtre ringrom 40. Ventilen 5 2 som angir trykkluft i lednin-gen -25 kan ved hjelp av kalibreringsdiagrammer enkelt korreleres

med undertrykket som dannes av induksjonsinnretningen 15. Når således borstammen 10 og borkronen 38 roteres ned i jordens overflate under boring av et hull regulerer operatøren rotoren 29 for å frembringe den ønskede, for boreoperasjonen gunstige kombinasjon av trykkluft og undertrykk. Søkeren har også oppdaget at alt etter hva slag formasjoner som bores, vil det noen ganger være fordelak-tig bare å bruke trykkluft og andre ganger bare.undertrykk. Ved slike tilfeller dreies rotoren 29 i den ene eller andre retning for å frembringe den ønskede virkning. Det skal også bemerkes at en annen måte å bestemme når undertrykket overstiger trykkluften

er å observere hvorvidt borekaksen søker å unnslippe forbi pakningen 42, eller alternativt dersom pakningen 42 ikke benyttes, hvorvidt borekaksen blåses ut av borehullet på utsiden av borerørenhe-

ten 10.

På figur 3 er i større detalj vist induksjonsapparatet 15 ifølge foreliggende oppfinnelse. Induksjonsapparatet 15 innbefatter et hovedhus 51 som omfatter et stort sett rett, gjennomgående løp rundt den langsgående midtlinje 60. Huset 51 omfatter en blandeseksjon C med en rørformet vegg med stort sett konstant innvendig diameter samt en diffusorseksjon D som begynner ved punktet 56 og avsluttes ved endeveggen 57. Fra et punkt 70 ut-vides veggen til huset 51 til større diameter med sidevegger 71 som avgrenser et indre kammer 54. Et rørformet siderettet husele-ment 5 3 kommuniserer med kammeret 54 og har ved sin ende et luft-innløp 26 for inntak av høytrykksluft generelt betegnet som

"motiveringsluften" (motivating air) . Et rørelement 50 er anordnet i kammeret 54 og har en innvendig diameter vesentlig lik den innvendige diameter til C-partiet til huset 51, slik at det danner et stort sett rett, gjennomgående løp for den induserte luft

og borekaks som strømmer inn gjennom innløpsåpningen 59 til røret 50. Slangen 13 er ved hjelp av en klemme 80 fastklemt på enden av røret 50 med innløpsåpningen 59. En 0-ring tetning 52 er anordnet mellom husveggen 71 og et siderettet fremspring 90 på røret 50 for å danne tetning for trykkluften som innføres i kammeret 54.

Et parti av den indre overflate til den utvidede vegg 71 danner en vinkel med midtlinjen 60, og enden av røret 50 mot-satt innløpsåpningen 59 danner også en vinkel med den langsgående midtlinje 60 som nærmere omtalt nedenfor. Vinkelen til sideveggen 71 og enden av røret 50 er slik valgt at en diffusorseksjon B dannes etter innsnevrings- eller strupepartiet A.

En trykkføler 81 er montert i huset 53 (eller alternativt i kammeret 54) for regulering av lufttrykket fra luftkompres-soren 21 (vist i fig. 1). Føleren 81 er forbundet med styreapparatet 82 over luftledningen 83. En hydraulsylinder 84 som er vist i detalj i figur 4, er koplet til styreapparatet 82 ved hjelp av fleksible hydraulledninger 85 og 86. Ét stempel 87 (se fig. 4) i sylinderen 84 er ved hjelp av en stempelstang festet til en ende-plate 88 som igjen er festet til øret 89 på huselementet 53. Det skal bemerkes at det siderettede fremspring.90 vil forskyves i forhold til endeplaten 88 og øret 89 og at 0-ringen 52 således ut-gjør en dynamisk, mellomliggende tetning. Videre er sylinderens 84 bunnside, f.eks. ved sveising fastgjort til det siderettede fremspring 90.

På figur 4 er skjematisk vist i detalj styreapparatet 82 og sylinderen 84. Den pneumatiske eller alternativt elektriske

ledning 83 fra trykksensoren 81 driver en pumpevalgbryter 91 som bestemmer hvorvidt det avfølte lufttrykk er høyere ellere lavere enn et gitt forutbestemt område. Utgangssignalene fra bryteren 91 er elektrisk forbundet via ledere 92 og 93 til henholdsvis hydraul-pumpene 94 og 95. Utløpet fra pumpen 95 er via en hydraulledning 86 forbundet med kammeret 96 i sylinderen 84. Likeledes er utløpet

til pumpen 94 via en hydraulledning 85 forbundet med kammeret 97

i sylinderen 84.

Kammeret 96 er via hydraulledningen 98 forbundet med en væskebeholder,99 og kammeret 97 er forbundet med beholderen 99 via hydraulledning 100. Beholderen 99 er koplet tilbake til pumpene 94 og 95 via fleksible retur-hydraulledninger 101 og 102.

Det skal bemerkes at beholderen 99 også omfatter nødvendige ven-tiler og styreledninger for inntak av hydraulvæske fra kamrene 96 og 97 i sylinderen 84 samt for tilbakeføring av hydraulvæske til pumpene 94 og 95 på velkjent måte.

Søkeren har funnet at overlydshastiget kan oppnås gjennom denne ringformede dyse. Det skal forståes at uten spesielle foranstaltninger er Mach 1 den maksimale strømningshastighet som kan oppnås i en dyse.. Ved anvendelsen av strupepartiet A og diffusorseksjonen B som divergerer med en bestemt vinkel, kan luften som strømmer ut fra strupepartiet aksellereres til overlydshastighet. Ifølge søkerens vurderinger ut fra observering av induks jonsenheten ifølge oppfinnelsen er den hastighet som oppnås, med denne spesielle induksjonsenhet tilnærmet Mach 1,9. Ettersom bevegelsesenergien i motiveringsstrømmen er energien som med den induserte luft overføres til strømningsblandingen, oppnås ved en , hastighet på Mach 1,9 en bevegelsesenergi som er tilnærmet 3.6 ganger energien ved strømning med hastighet på Mach 1. Det er ikke nødvendig med større inngang for å oppnå den større utgang. Den induserte luftstrøm som kommer inn gjennom innløpsåpningen 59 (fig. 3) sammen med borekaksen og følger en rett bane gjennom ven-turien uten å endre retning, virker til å holde den induserte luft og borekaksen i bevegelse slik at det ikke dannes fastkiling eller opphopning på utsatte flater. Selvom forskjellige vinkler kan benyttes ved utforming av diffusorseksjonen B har søkeren funnet at induktoren arbeider helt tilfredsstillende når den innvendige overflate på sideveggen 71 danner en vinkel på 30° med midtlinjen 60 og derved retter motiveringsluften mot lengdeaksen 60 langs den brutte linje 55 for å bevirke effektiv blanding. Enden av dysen på røret 50 danner fortrinnsvis en vinkel på 41° med midtlinjen 60, og divergerer således fra den innvendige overflate på veggen 71, for likeledes å rette overlydstrømmen inn mot midtlinjen 60 for å befordre blanding.

Ved drift av induksjonsapparatet vist på fig. 3 og 4

i sammenheng med systemene vist i fig. 1 og 2, skal det forståes at trykkluften som innføres, fortrinnsvis ved omtrent 6,5 kg/cm 2,

er koplet til innløpsåpningen 26. Trykket i kammeret 54 bør fortrinnsvis ligge noe under trykket ved hvilket kompressoren begynner å "slå tilbake" (throttle back). Dersom kompressoren 21 således begynner å "slå tilbake" ved 7 kg/cm 2vil et trykk som holdes på 6,5 kg/cm<2>holde motorkompressoren nær full ytelse (full throttle). Denne luft koples også inn i kammeret 54 som omgir-rø-ret 50 og som er innsnevret ved innsnevringen A. Etter å ha pas-sert gjennom innsnevringen A aksellereres luften i diffusorseksjonen B inn i og mot midtlinjen 60 slik at den induserte luft strømmer fra innløpsåpningen 59 mot endeplaten 57. Dette skaper selvsagt et undertrykk i slangen 13 og midtløpet i borerørstrengen 10 for opptrekking av borekaks 41 fra bunnen av det borede hull. Dersom operatøren finner å ville avlede noe av den tilgjengelige trykkluft ved hjelp av fordelerventilen 24 til det ytre ringrom 39 i borstrengen, vil trykket falle i kammeret 54. Ettersom bevegelsesenergien til motiveringsluften økes ved øket trykkfall over dysen, er det ønskelig å øke trykket i kammeret 54. Dette utfø-res ved hjelp av apparatet vist på fig. 3 og 4 ved følgende opera-sjon.

Når trykkføleren 81 avføler et trykkfall, påvirker pumpevalgbryteren 91 pumpen 94 som bevirker at sylinderen 84 forskyves mot endeplaten 88 og således søker å "lukke dysen" ved å endre størrelsen på innsnevringen A ettersom røret 50 er forbundet med sylinder 84. Dette skaper således et større trykkfall over dysen og øker trykket i kammeret 54. Hvis på den annen side trykket er for høyt, f.eks.. høyere enn 6;5 kg/cm 2, som avfølt av føle-ren 81, påvirkes pumpen 95 som bevirker at sylinderen 84 forskyves bort fra endeplaten 88 og således skaper en større åpning i dysen.

Selvom den foretrukne utføringsform er tenkt utført med de spesielle, viste vinkler i diffusorseksjonen B, kan selvsagt andre vinkler også benyttes for utforming av en slik diffusor seksjon for aksellerering av motiveringsluften til overlydshastighet. Motiveringsluftens inerti overføres til den induserte luft-strøm og borekaks under blandingen av motiveringsluften og den induserte luft. Den blandede luftstrøm ekspanderer så inn i diffu-sorseks jonen D for gjenvinning av energien til den komprimerte blanding under dennes ekspansjon. Selvom det videre er påtenkt at innsnevringen A kan endres automatisk som reaksjon på det avfølte trykk oppstrøms av dysen, vil en fagmann innse at en operatør og-så kan bevege røret 50 manuelt for endring av dyseåpningen for op-timalisering av trykkfallet over dysen. En fagmann vil også innse at selvom den foretrukne utføringsform er tenkt utført med bruk av en hydraulisk påvirket sylinder for å bevege røret 50 i forhold til den andre side av dysen, kan forskjellige andre organer også benyttes for å frembringe relativ bevegelse, f.eks. en elektrisk motor og et mellomliggende snekkevekselarrangement.

Claims (6)

1. Induksjonsapparat, karakterisert ved et første rørelement (50) med en gitt innvendig diameter, et andre rørelement (51) med en innvendig diameter tilnærmet lik nevnte git-te diameter, en ringformet dyse utformet mellom det første og andre røiéLement, idet rørelementenes lengdeakser er koaksiale, hvilken dyse omfatter en luftinnsnevring og en diffusor, organer (53, 54) for innføring av trykkluft gjennom innsnevringen og diffusoren inri i det andre rørelement, for derved å indusere en luftstrøm fra det første rørelement inn i det andre rørelement, samt organer (82) for endring av innsnevringens størrelse og derved endre trykkfallet over dysen.

2. Induksjonsapparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at diffusoren omfatter første og andre diver-gerende vegger.

3. Induksjonsapparat som angitt i krav 2, karakterisert ved at de første og andre vegger danner en vinkel på ca. 30° i forhold til de på linje innrettede lengdeakser og at de andre vegger danner en vinkel på ca. 41° med aksene.

4. Induksjonsapparat som angitt i krav 3, k a r'a k terisert ved en andre diffusorseksjon koaksialt med det andre rørelement.

5. Induksjonsapparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at dysen bevirker at trykkluft innføres i det andre rørlement med overlydshastighet.

6. Induksjonsapparat som angitt i krav 1, karakterisert ved organer (81, 82, 83) for avføling av trykket i trykkluften oppstrøms av dysen, og at organene for endring rea-gerer på det avfølte trykk for å endre innsnevringens størrelse og derved endre trykkfallet over dysen.