РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЖЕКТОР Российский патент 2011 года по МПК F04F5/48 

Изобретение относится к струйной технике и может быть использование в нефтегазодобывающей промышленности, в частности, для получения аэрированных жидкостей, двухфазных пен.

Известен струйный аппарат [А.С. СССР №909349, F04F 5/16, опубл. 28.02.82], содержащий приемную камеру, в которой установлены, с возможностью осевого перемещения активного сопла, камеры управления и смещения, а так же диффузор. Камера управления снабжена термочувствительным элементом, концы которого закреплены на активном сопле и стенке камеры управления, снабженной патрубком подвода и отвода теплоносителя.

Недостатком данного устройства являются:

- низкая точность настройки струйного аппарата из-за инертности системы, заключающейся в применении термочувствительного элемента в кинематике осевого перемещения активного сопла;

- изменение только одной составляющей, а именно только осевое перемещение активного сопла не позволяет оптимизировать работу струйного аппарата, что отражено в стандартных зависимостях расчета струйных аппаратов.

Анализ технических решений в данной области техники показал, что известна конструкция эжектора (см. А.С. №1710859, F04F 5/48, опубл. 07.02.92. Бюл. №5), в которой изменяются поперечные размеры камеры смешения и диффузора. Камера смешения подпружинена относительно активного сопла и установлена с возможностью осевого перемещения. Однако изменение этих размеров происходит спонтанно, без определения алгоритма.

Известна конструкция струйного насоса (см. А.С. №1343118, F04F 5/02, опубл. 07.10.87 г. Бюл. №37), принятая за прототип.

Устройство состоит из приемной камеры, камеры смещения, диффузора, активного сопла в приемной камере с регулирующей иглой, связанной с приводом, подводящими патрубками активной и пассивной среды.

Устройство работает следующим образом.

Активная среда подается к активной насадке с выходом струи в камеру смешения, куда подсасывается пассивная среда. В диффузоре кинетическая энергия смеси сред частично преобразуется в потенциальную энергию. Перемещая в осевом канале активного сопла иглу за счет привода, на наружной поверхности подводящего патрубка, регулируют подачу активной среды через активное сопло, управляя тем самым, суммарной подачей смеси сред к потребителю.

Основным недостатком вышеперечисленных устройств является то, что в них нет условий, обеспечивающих одновременное изменение трех взаимосвязанных параметров эжектора: поперечное сечение камеры смещения, поперечное сечение осевого канала активного сопла, расстояние от сопла до камеры смещения.

Выбор того или иного диаметра камеры сопла и соответственно диаметра камеры смещения определяется необходимой степенью аэрации, давлением смешанного потока. Изменение только одного из параметров не приводит к ожидаемому результату.

Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, заключается в следующем:

- возможность управления регулирующими элементами эжектора для получения на выходе из диффузора аэрированной жидкости, с заданными технологическими параметрами;

- возможность одновременного плавного изменения положения трех взаимосвязанных параметров эжектора с подчинением единому алгоритму, для стабильной работы устройства;

- применение шаговых двигателей для изменения технологических и конструктивных параметров элементов эжектора, с управлением их включения от микропроцессорного блока, с целью плавного регулирования основных элементов эжектора.

Технический результат достигается тем, что регулируемый эжектор содержит приемную камеру, камеру смешения, активное сопло, диффузор, подводящие и отводящий патрубки, регулирующую иглу, механизм привода иглы, при этом устройство снабжено насадкодержателем, установленным в осевом канале корпуса, механизмом привода, включающим фланец с венцом зубчатого колеса, кинематически связанным с шестерней шагового двигателя, снабженного муфтой, регулирующая игла установлена асимметрично в насадкодержателе и снабжена приводом в виде шагового двигателя, установленным на фланце насадкодержателя, осевой канал диффузора снабжен регулирующей иглой, связанной с механизмом осевых перемещений, включающим механизм регулирования хода в виде шагового двигателя, установленного на диффузоре, причем осевой канал подающего патрубка гидравлически связан через окна в теле насадкодержателя с его внутренней камерой, отводящий патрубок установлен на внешней стороне диффузора с возможностью гидравлической связи его осевого канала с осевым каналом диффузора над механизмом регулирования хода иглы, а шаговые двигатели регулирования осевого перемещения иглы, активной насадки, осевого перемещения насадкодержателя и осевого перемещения диффузора связаны с микропроцессором и подчинены единому алгоритму управления.

Конструкция устройства в разрезе показана на чертеже.

На чертеже в разрезе показано устройство в положении деталей для ведения процесса эжектирования.

Эжектор содержит корпус 1, активное сопло 2, приемную камеру 3, камеру смешения 4 и диффузор 5. Корпус 1 снабжен подводящим патрубком 6 для активной среды и патрубком 7 подвода пассивной среды и отводящим патрубком 8. В осевом канале корпуса 1 установлен механизм регулирования размеров 9 камеры смешения 4, который состоит из иглы 10, связанной через винтовую пару 11 с механизмом привода 12, состоящим из шагового двигателя 13.

Механизм регулирования размеров активного сопла 2 состоит из иглы 14, установленной асимметрично ее осевому каналу, и связанной с винтовой парой 15. Винтовая пара 15 в свою очередь связана через муфту 16 с шаговым двигателем 17, который закреплен на фланце 18, опирающимся на фланец 19 насадкодержателя 20, установленного в осевом канале корпуса 1 на резьбе.

Механизм регулирования размеров приемной камеры 3 состоит из ведомой шестерни 21, насадкодержателя 20 кинематически связанной с ведущей шестерней 22, которая через муфту 23 связана с шаговым двигателем 24, установленным на консоле 23, связанной с корпусом 1.

В теле насадкодержателя 20 выполнены окна 26, гидравлически соединяющие осевой канал 27 подводящего патрубка 6 с внутренней камерой 28 в насадкодержателе 20.

Работа регулируемого эжектора.

Для нормальной работы эжектора необходимо строгое соблюдение соосности камеры смешения и активного, сопла, а также поддержания в расчетных пределах расстояния от торца активного сопла до торца цилиндрической части камеры смешения.

В соответствии с существующими зависимостями (см. Соколов) по расчету основных конструктивных параметров их необходимо разделять по следующим технологическим параметрам - степени аэрации, давления смешанного потока на выходе, а также необходимой степени аэрации потока.

Исходя из этого, перемещение подвижных частей эжектора подчинено единому алгоритму.

Эжектор работает следующим образом.

Активная среда через подводящий патрубок 6 и окно 26 в теле насадкодержателя 20 поступает во внутреннюю камеру 28 и далее подается через активное сопло 2, а затем поступает в приемную камеру 3, в которую подается пассивная среда (газ) по подводящему патрубку 7. Активная среда смешивается с пассивной средой и поступает в камеру смешения 4, затем в диффузоре 5 статическое давление смеси повышается, и смесь через отводящий патрубок подается потребителю.

Подстройка под режимные параметры камеры смешения 3 осуществляется механическим регулированием размеров камеры смешения 3, т.е. путем изменения расстояния между торцом насадкодержателя 20 и торцом камеры смешения 4.

Подстройка под режимные параметры активного сопла 2 осуществляется путем изменения ее площади сечения, за счет ввода в осевой канал иглы 14. Ввод осуществляется за счет подачи сигнала на шаговый двигатель 17, который при работе осуществляет передачу крутящего момента через муфту 16 на иглу 14, которая вводится - перемещается в сторону активного сопла 2 с выходом в осевой канал.

Изменение расхода и скорости подачи смеси в диффузор 5 осуществляется за счет ввода в осевой канал иглы 10, связанной через винтовую пару 11 с механизмом привода 12 и шаговым двигателем 13.

Перемещение насадкодержателя 20 в осевой канал корпуса 1 осуществляется путем передачи крутящего момента на ведущую шестерню 22 от шагового двигателя 24.

Осуществляют вращение ведомой шестерни 21, жестко связанной с насадкодержателем 20, что приводит к его осевому перемещению в осевом канале корпуса 1. В течение перемещения насадкодержателя 20 существует постоянная связь осевого канала 27 подводящего патрубка 6 через окно 26 с внутренней камерой 29 в насадкодержателе 20.

Для нормальной работы эжектора необходимо соблюдение соосности каналов активного сопла камеры смещения и диффузора, а также необходимо поддерживать оптимальное расстояние от торца активного сопла до входа в камеру смешения.

Это расстояние определяется:

1=1÷1,5 диаметра осевого канала камеры смешения.

Алгоритм управления эжектором строится в соответствии с существующими зависимостями, определяющими устойчивый характер работы.

Выбор диаметра осевого канала активного сопла и соответственно диаметр камеры смешения определяется необходимой степенью аэрации и удовлетворением смешанного потока на выходе из диффузора.

Для динамичного изменения параметров в регулируемом эжекторе используется привод механизма осевых перемещений от шагового двигателя. Управление работой шаговых двигателей используется микропроцессор.

Алгоритм строится на основе следующих данных.

Напор, производительность и коэффициент эжекции эжектора определяется диаметром осевого канала, активного сопла и камеры смешения, а также расстоянием от торца активного сопла до входа потока в камеру смешения.

Формулы, по которым можно определить параметры работы эжектора: - объемный коэффициент эжекции (отношение объемов эжектируемой среды к рабочей жидкости).

U₀ при условии Р_с≥1 кг/см² определяется по формуле

где ΔP_p=P_p-P_r;

ΔPc=P_c-P_r;

Р_р - давление эжектирующего (рабочего) потока, т.е. давление развиваемого агрегата на приемном патрубке эжектора, кг/см²;

Р_r - давление эжектирующего потока (давление в шлейфе или развиваемое компрессором), кг/см².

Р_с - давление смешанного потока на отводящем патрубке эжектора, кг/см².

Отношение площадей сечения камеры смешения f₃ и активного сопла f_p1 может быть выражено следующим условием:

Стандартная зависимость параметров эжектора

При постоянном значении давления эжектирующего (рабочего) потока Р_р увеличение отношения приводит к увеличению коэффициента эжекции и снижению давления смеси Р_с и наоборот.

Устойчивость работы эжектора сохраняется при значениях, определяемых по эмпирической формуле:

P_c=0,3÷0,55Р_p

Ввести параметры:

Р_ж - давление рабочей жидкости на входе в камеру насадкодержателя, кг/см²;

Р_г - давление газа на входе в камеру смешения, кг/см²;

q - расход рабочей жидкости, л/сек;

Р_вых - требуемое давление на выходе из диффузора эжектора, кг/см²;

λ - требуемая степень аэрации;

l₁ - шаг изменения поперечного сечения осевого канала активного сопла, мм;

l₂ - шаг изменения поперечного сечения камеры смешения, мм;

l₃ - шаг изменения расстояния от торца активного сопла до камеры смешения, мм;

µ - коэффициент расхода сопла, равный 0,9;

d_сн; d_ксн; L_н - начальные (исходные) значения диаметра активного сопла, диаметра камеры смешения и расстояния от торца активного сопла до камеры смешения.

Вычислить:

1. Диаметр осевого канала активного сопла, d_сн:

2. Диаметр камеры смешения, d_ксн

Расстояние от торца активного сопла до камеры смешения L_н=d_ксн (1÷1.5).

Эжектор предназначен для освоения скважин с использованием аэрированных жидкостей. Эжектор состоит из корпуса активного сопла, приемной камеры, камеры смешения и диффузора. Корпус регулируемого эжектора снабжен подводящим патрубком подвода активной среды. В осевом канале корпуса установлен механизм регулирования размеров, состоящий из иглы, связанной через винтовую пару с механизмом привода, состоящим из шагового двигателя. Механизм регулирования размеров состоит из иглы, установленной асимметрично осевому каналу и связанной с винтовой парой, которая через муфту связана с шаговым двигателем, закрепленным на фланце насадкодержателя, установленного в осевом канале корпуса на резьбе. Механизм регулирования размеров состоит из ведущей шестерни, связанной с ведущей шестерней и муфтой, который закреплен на корпусе консолью. Технический результат - возможность управления регулирующими элементами эжектора, возможность одновременного плавного изменения положения трех взаимосвязанных параметров эжектора с подчинением единому алгоритму для стабильной работы устройства. 1 ил.

Регулируемый эжектор, содержащий приемную камеру, камеру смешения, активное сопло, диффузор, подводящие и отводящий патрубки, регулирующую иглу, механизм привода иглы, отличающийся тем, что устройство снабжено насадкодержателем, установленным в осевом канале корпуса, механизмом привода, включающим фланец с венцом зубчатого колеса, кинематически связанным с шестерней шагового двигателя, снабженного муфтой, регулирующая игла установлена асимметрично в насадкодержателе и снабжена приводом в виде шагового двигателя, установленным на фланце насадкодержателя, осевой канал диффузора снабжен регулирующей иглой, связанной с механизмом осевых перемещений, включающим механизм регулирования хода в виде шагового двигателя, установленного на диффузоре, причем осевой канал подающего патрубка гидравлически связан через окна в теле насадкодержателя с его внутренней камерой, отводящий патрубок установлен на внешней стороне диффузора с возможностью гидравлической связи его осевого канала с осевым каналом диффузора над механизмом регулирования хода иглы, а шаговые двигатели регулирования осевого перемещения иглы, активной насадки, осевого перемещения насадкодержателя и осевого перемещения диффузора связаны с микропроцессором и подчинены единому алгоритму управления.