СТРУЙНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2024 года по МПК F04F5/02 F04F5/46 

Изобретение относится к области струйной техники, включая струйные насосы и компрессоры, струйные усилители с системами управления и струйные реактивные движители для систем динамического позиционирования с управлением вектором тяги и может быть использовано, в частности, в нефтяной и газовой промышленности для повышения эффективности технологий при добыче и переработке углеводородов, в том числе в условиях разработки морских месторождений с подводным размещением оборудования.

Известна струйная насосная установка, содержащая источник рабочей жидкости, источник перекачиваемой среды, струйный насос, оснащенный соплом, размещенным перед входом в рабочую камеру с образованием кольцевого канала между соплом и входом рабочей камеры, при этом источник рабочей жидкости гидравлически связан с входом сопла, а источник перекачиваемой среды гидравлически связан с кольцевым каналом, в котором размещены направляющие лопатки с образованием между лопатками изолированных друг от друга подводящих каналов, которые гидравлически связывают рабочую камеру, по крайней мере, с одним дополнительным источником перекачиваемой (или рабочей) среды (RU 116190, 2012).

Недостатком известного технического решения является узкий диапазон регулирования рабочих параметров для каждого потока, таких как давление и массовый расход.

Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому является струйная насосная установка, содержащая источники рабочей среды и перекачиваемой среды, струйный насос, оснащенный системой сопел, гидравлически соединенных по параллельной схеме и размещенных на входе в рабочую камеру с образованием кольцевого канала, в котором размещены П-образные карманы с образованием в них изолированных друг от друга подводящих каналов, в каждом из которых установлено одно сопло и которые гидравлически связывают рабочую камеру с источниками перекачиваемой среды через запорные регулирующие устройства, при этом источник рабочей среды гидравлически связан с входами сопел, а источники перекачиваемой среды гидравлически соединены с кольцевым каналом (RU 2781455, 2021).

Недостатком указанного технического решения является относительно узкий диапазон регулирования рабочих параметров потока на выходе рабочей камеры, что ограничивает область применения струйной установки.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение диапазона рабочих параметров потока на выходе рабочей камеры.

Указанная проблема решается тем, что струйная установка содержит источники рабочей и перекачиваемой среды, струйный аппарат, оснащенный системой сопел, гидравлически соединенных по параллельной схеме и размещенных на входе в рабочую камеру с образованием кольцевого канала, в котором размещены П-образные карманы с образованием в них изолированных друг от друга подводящих каналов, в каждом из которых установлено одно сопло и которые гидравлически связывают рабочую камеру с источниками перекачиваемой среды через запорные регулирующие устройства, при этом источник рабочей среды связан с входами сопел через гидравлический распределитель, а в рабочей камере выполнены разнонаправленные выходные каналы, каждый из которых сообщается с отдельным подводящим каналом, с обеспечением подачи смеси рабочей и перекачиваемой среды в направлении от периферии к центру рабочей камеры.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения:

• рабочая камера выполнена цилиндрической;

• по оси рабочей камеры установлено дополнительное центральное сопло, подсоединенное к дополнительному источнику рабочей среды.

Достигаемый технический результат заключается в обеспечении контролируемого перераспределения энергии потока по площади выходного канала в рабочей камере с возможностью регулирования параметров количества движения потока и параметров эпюры скоростей в поперечном сечении на выходе рабочей камеры и с одновременным созданием условий для управления вектором тяги в рамках геометрической полусферы или в рамках полной геометрической сферы.

Сущность описываемого изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1 показана схема струйной установки; на фиг. 2 представлено сечение А-А; на фиг. 3 показана схема струйной установки с центральным соплом; на фиг. 4 показана трехмерная компьютерная модель рабочей камеры (вариант); на фиг. 5 показана трехмерная компьютерная модель рабочей камеры (вариант), где твердые непроницаемые стенки показаны с применением компьютерного эффекта «прозрачности», что помогает в описании конструкции; на фиг. 6 показана трехмерная компьютерная модель рабочей камеры (разрез с показом половины детали), где твердые непроницаемые стенки показаны с применением компьютерного эффекта «прозрачности»; на фиг. 7 показана палитра скоростей для условий с равномерным распределением газа по выходным каналам рабочей камеры; на фиг. 8 показана палитра скоростей для условий с неравномерным распределением газа по выходным каналам рабочей камеры; на фиг. 9 показана палитра скоростей для условий с неравномерным распределением газа по выходным каналам рабочей камеры, для варианта струйной установки при использовании центрального сопла.

Предлагаемая струйная установка содержи один или несколько источников рабочей среды 1, источники перекачиваемой среды 2, струйный аппарат, оснащенный системой сопел 3, гидравлически соединенных по параллельной схеме и размещенных на входе в рабочую камеру 4 с образованием кольцевого канала 5. Источник рабочей среды 1 гидравлически связан с входами сопел 3.

В кольцевом канале 5 размещены П-образные карманы 6 с образованием в них изолированных друг от друга подводящих каналов 7, в каждом из которых установлено одно из сопел 3, и которые гидравлически связывают рабочую камеру 4 с источниками перекачиваемой среды 2 через запорные регулирующие устройства 8.

В рабочей камере 4 выполнены разнонаправленные выходные каналы 9, каждый из которых сообщается с отдельным подводящим каналом 7.

Источник или источники рабочей среды 1 через гидравлический распределитель 10 связаны с входами сопел 3. Распределение рабочей среды по соплам 3 может быть равномерным или неравномерным, в зависимости от решаемой технологической задачи. При таком регулировании поток рабочей среды также может быть направлен в какое-либо одно сопло 3. Гидравлический распределитель 10 конструктивно может быть выполнен с любым числом гидравлических линий (двухходовые, трех-, четырех- и многоходовые) и с разным типом запорного элемента (золотниковые, клапанные, крановые (пробковые)).

Рабочая камера 4 и выходные каналы 9 могут иметь различные исполнения и геометрические формы, и эти формы определяют направление потоков на выходе каждого выходного канала 9. Потоки, выходящие через эти каналы 9, могут быть направлены преимущественно вдоль плоской поверхности, могут быть направлены преимущественно вдоль цилиндрической поверхности, могут быть направлены преимущественно вдоль конической поверхности, могут быть направлены вдоль какой-либо криволинейной поверхности, в зависимости от решаемой технической задачи.

Для примера, на фигуре 3 показан вариант исполнения струйной установки с центральным соплом 11. В центральной части рабочей камеры 4 может быть размещено центральное сопло 11 (или группа из сопловых устройств), подключенное к источнику рабочей среды 12. Источник рабочей среды 12 может быть гидравлически связан с источником рабочей среды 1 (такая гидравлическая связь на фигурах не показана). При выключении источника рабочей среды 12 струйная установка работает в соответствии со схемой, представленной на фигуре 1.

В поперечном сечении рабочая камера 4, подводящие каналы 7 и сопло 3 могут иметь форму квадрата или треугольника, или другую нетрадиционную форму. Сопло 3 с подводящим каналом 7, образуют классический струйный аппарат. В подводящем канале 7 осуществляется перемешивание рабочей среды с перекачиваемой средой и реализуется эжекционный рабочий процесс, при котором часть энергии от потока рабочей среды передается потоку перекачиваемой среды. Проточные каналы в группе сопел 3 и в группе подводящих каналов 7 могут формировать сетчатую структуру или сетку. Из уровня техники известно, что сетка- это представление более крупной геометрической области меньшими дискретными ячейками. К примеру, сопла больших размеров заменяются на набор более мелких сопел, которые связаны между собой с образованием проточных каналов в виде сетчатой структуры.

Струйная установка может иметь исполнение, в котором рабочая камера 4 выполнена цилиндрической, а каждый разнонаправленный выходной канал 9 обеспечивает возможность для подачи смеси рабочей и перекачиваемой среды в направлении от периферии к центру рабочей камеры 4 (фигуры 1-3).

Струйная установка может иметь исполнение, в котором разнонаправленные выходные каналы 9 рабочей камеры 4 и отдельные источники перекачиваемой среды 2 сообщаются с окружающей воздушной средой в условиях изменения свойств атмосферного воздуха на различной высоте. В этом случае атмосферный воздух поступает из окружающей среды в источник перекачиваемой среды 2 и далее через запорное регулирующее устройство 8 в подводящий канал 7. Источник перекачиваемой среды 2 может содержать компрессор или другое устройство для повышения давления перекачиваемой среды, в данном случае - для повышения давления воздуха.

Струйная установка может иметь исполнение, в котором разнонаправленные выходные каналы 9 рабочей камеры 4 и отдельные источники перекачиваемой среды 2 сообщаются с окружающей водной средой в условиях изменения свойств морской (речной) воды на различной глубине. В этом случае вода поступает из окружающей среды в источник перекачиваемой среды 2 и далее через запорное регулирующее устройство 8 в подводящий канал 7. Источник перекачиваемой среды 2 может содержать насос или другое устройство для повышения давления перекачиваемой среды, в данном случае - для повышения давления воды.

Струйная установка работает следующим образом.

Источник (источники) рабочей среды 1 обеспечивает подачу рабочей среды в сопла 3, размещенные на входе в рабочую камеру 4. Перекачиваемая среда от источников перекачиваемой среды 2 подводится к кольцевому каналу 5 и далее к струе рабочей среды, проходя через изолированные друг от друга подводящие каналы 7, которые гидравлически связывают рабочую камеру 4 с источниками перекачиваемой среды 2. Перемешивание перекачиваемой среды с рабочей средой начинается в изолированных друг от друга подводящих каналах 7, поскольку сопло 3 выполнено многоканальным в виде системы сопел, гидравлически соединенных по параллельной схеме, а каждое сопло 3 размещено в отдельном изолированном подводящем канале 7, сообщающимся с источником перекачиваемой среды 2 через отдельное запорное регулирующее устройство 8. Далее потоки из подводящих каналов 7 через выходные каналы 9 направляются к выходу из рабочей камеры 4. В рабочей камере 4 осуществляется частичное или полное перемешивание рабочей и перекачиваемых сред с учетом решаемой технологической задачи. Рабочей и перекачиваемыми средами могут быть жидкость или газ, или газожидкостная смесь с различными соотношениями компонентов. С выхода рабочей камеры 4 смесь рабочей среды и перекачиваемых сред поступает далее в технологическую линию на прием потребителя (на фигурах технологическая линия не показана).

С использованием нескольких запорных регулирующих устройств 8 в изолированных друг от друга подводящих каналах 7 можно обеспечить различные режимы течения: стационарные или нестационарные режимы течения, включая различные варианты импульсных режимов течения. Распределение перекачиваемой среды по подводящим каналам 7 может быть равномерным или неравномерным в зависимости от решаемой технологической задачи. При таком регулировании поток перекачиваемой среды также может быть направлен в какой-либо один подводящий канал 7. Предлагаемое техническое решение позволяет управлять потоками рабочей и перекачиваемой среды с обеспечением требуемых условий истечения на выходе рабочей камеры 4. Распределение скорости потока на выходе рабочей камеры 4 может быть равномерным или неравномерным. Скорость потока в отдельных точках на выходе рабочей камеры 4 может быть постоянной во времени или переменной - в зависимости от решаемой технологической задачи. Из уровня техники известно, что при постепенном закрытии проточного канала в запорном регулирующем устройстве 8 снижается до нуля массовый расход перекачиваемой среды, что влечет за собой постепенное бесступенчатое уменьшение скорости потока в подводящем канале 7 и в выходном канале 9. В частном случае, при нулевом расходе перекачиваемой среды через выходной канал 9 поступает только рабочая среда из сопла 3. Такая взаимосвязь процессов регулирования в сочетании с сетчатой структурой каналов может быть использована для управления вектором тяги в реактивных струйных системах различного назначения. Запорные регулирующие устройства 8 могут управляться дистанционно и могут быть объединены в единую цифровую систему управления, функционирующую в соответствии с определенной компьютерной программой, с учетом специфики решаемой технологической задачи.

Сочетание гидравлического распределителя 10 с запорными регулирующими устройствами 8 позволяет гибко регулировать направление смешанного потока рабочей среды и перекачиваемой среды в пределах нижней геометрической полусферы, к примеру фигуры 7, 8 и 9. При таком регулировании смешанный поток может быть направлен в один выходной канал 9, или в два канала 9, или в три таких канала, и так далее. Распределение смеси рабочей среды с перекачиваемой средой по выходным каналам 9 может быть равномерным или неравномерным, в зависимости от решаемой технологической задачи.

На фигуре 4 показана трехмерная компьютерная модель рабочей камеры 4 (вариант), а на фигуре 5 показана эта же трехмерная компьютерная модель рабочей камеры, но здесь твердые непроницаемые стенки показаны с применением компьютерного эффекта «прозрачности», что помогает в описании конструкции. Рассмотрен пример, в котором восемь выходных каналов 9, через которые проходят потоки с массовыми расходами текучих сред (смесь рабочей среды с перекачиваемой средой) соответственно для восьми каналов - Q₁, Q₂, Q₃, Q₄, Q₅, Q₆, Q₇, Q₈. В данном примере разнонаправленные выходные каналы 9 рабочей камеры 4 и отдельные источники перекачиваемой среды 2 сообщаются с окружающей воздушной средой (в условиях изменения свойств атмосферного воздуха на различной высоте). Для этого примера (по фигурам 4 и 5), на фигуре 7 представлены результаты компьютерного моделирования, и показана палитра скоростей для условий с равномерным распределением газа по выходным каналам 9 рабочей камеры 4. Суммарный поток направлен строго сверху вниз, соответственно вектор тяги (вектор результирующей реактивной силы) направлен снизу вверх, перпендикулярно к горизонтальной плоскости. Дополнительно могут рассматриваться и примеры, где разнонаправленные выходные каналы 9 рабочей камеры 4 и отдельные источники перекачиваемой среды 2 сообщаются с окружающей водной средой (в условиях изменения свойств морской (речной) воды на различной глубине).

На фигуре 6 показана трехмерная компьютерная модель рабочей камеры 4 (разрез с показом половины детали), где твердые непроницаемые стенки показаны с применением компьютерного эффекта «прозрачности». Рассмотрен пример, в котором только через один из восьми каналов 9 проходит поток газа с массовым расходом Q₁. В остальных каналах 9 в данном примере параметры массового расхода имеют нулевые значения. На фигуре 8 представлены результаты компьютерного моделирования на основе разработанной трехмерной модели (по фигуре 6), показана палитра скоростей для условий с неравномерным распределением газа по выходным каналам 9 рабочей камеры 4. В данном примере разнонаправленные выходные каналы 9 рабочей камеры 4 и отдельные источники перекачиваемой среды 2 сообщаются с окружающей воздушной средой (в условиях изменения свойств атмосферного воздуха на различной высоте). Суммарный поток направлен слева направо, соответственно вектор тяги (вектор результирующей реактивной силы) направлен справа налево, вдоль горизонтальной плоскости. Дополнительно могут рассматриваться другие примеры, где разнонаправленные выходные каналы 9 рабочей камеры 4 и отдельные источники перекачиваемой среды 2 сообщаются с окружающей водной средой (в условиях изменения свойств морской (речной) воды на различной глубине).

На фигуре 9 представлены результаты компьютерного моделирования на основе разработанной трехмерной модели (по фигуре 3), показана палитра скоростей для условий с неравномерным распределением газа по выходным каналам 9 рабочей камеры 4, для варианта струйной установки при использовании центрального сопла 11, подключенного к источнику рабочей среды 12. В данном примере разнонаправленные выходные каналы 9 рабочей камеры 4 и отдельные источники перекачиваемой среды 2 сообщаются с окружающей воздушной средой.

Сетчатая структура каналов также позволяет уменьшить габариты и массу изделия при активизации теплообменных процессов.

Заявляемое техническое решение позволяет организовать процесс управления потоками горячих газов, при этом подвижные детали запорных регулирующих устройств 8 могут надежно работать в холодной перекачиваемой среде (например, в холодном окружающем атмосферном воздухе, или в холодной окружающей водной среде). При этом для управления высокоскоростными потоками и для управления вектором тяги не потребуется использовать какие-либо подвижные детали, контактирующие с агрессивными горячими газами на выходе сопел 3 и 11, что повышает надежность струйной установки в целом.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает контролируемое перераспределение энергии потока по отдельным участкам на выходе из рабочей камеры 4 и, соответственно, позволяет регулировать параметры количества движения потока и параметры эпюры скоростей в поперечном сечении на выходе рабочей камеры 4 с обеспечением условий для управления вектором тяги в рамках геометрической полусферы. При использовании тандемного исполнения, с применением двух заявляемых струйных установок, появляется возможность для управления вектором тяги в рамках полной геометрической сферы. Возможны варианты использования и более сложных технических систем с применением трех (или более) струйных установок, при этом расширяются технические возможности для управления вектором тяги или для управления потоками газов, жидкостей и газожидкостных смесей.

Изобретение относится к области струйной техники, включая струйные насосы и компрессоры, струйные усилители с системами управления и струйные реактивные движители для систем динамического позиционирования с управлением вектором тяги, и может быть использовано, в частности, в нефтяной и газовой промышленности для повышения эффективности технологий при добыче и переработке углеводородов, в том числе в условиях разработки морских месторождений с подводным размещением оборудования. Струйная установка содержит источники рабочей и перекачиваемой среды, струйный аппарат, оснащенный системой сопел, гидравлически соединенных по параллельной схеме и размещенных на входе в рабочую камеру с образованием кольцевого канала, в котором размещены П-образные карманы с образованием в них изолированных друг от друга подводящих каналов, в каждом из которых установлено одно сопло и которые гидравлически связывают рабочую камеру с источниками перекачиваемой среды через запорные регулирующие устройства, при этом источник рабочей среды связан с входами сопел через гидравлический распределитель, а в рабочей камере выполнены разнонаправленные выходные каналы, каждый из которых сообщается с отдельным подводящим каналом, с обеспечением подачи смеси рабочей и перекачиваемой среды в направлении от периферии к центру рабочей камеры. Достигаемый технический результат заключается в обеспечении контролируемого перераспределения энергии потока по площади выходного канала в рабочей камере с возможностью регулирования параметров количества движения потока и параметров эпюры скоростей в поперечном сечении на выходе рабочей камеры и с одновременным созданием условий для управления вектором тяги в рамках геометрической полусферы или в рамках полной геометрической сферы. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Струйная установка, характеризующаяся тем, что она содержит источники рабочей и перекачиваемой среды, струйный аппарат, оснащенный системой сопел, гидравлически соединенных по параллельной схеме и размещенных на входе в рабочую камеру с образованием кольцевого канала, в котором размещены П-образные карманы с образованием в них изолированных друг от друга подводящих каналов, в каждом из которых установлено одно сопло и которые гидравлически связывают рабочую камеру с источниками перекачиваемой среды через запорные регулирующие устройства, при этом источники рабочей среды связаны с входами сопел через гидравлический распределитель, а в рабочей камере выполнены разнонаправленные выходные каналы, каждый из которых сообщается с отдельным подводящим каналом с обеспечением подачи смеси рабочей и перекачиваемой среды в направлении от периферии к центру рабочей камеры.

2. Струйная установка по п. 1, отличающаяся тем, что рабочая камера выполнена цилиндрической.

3. Струйная установка по п. 1, отличающаяся тем, что по оси рабочей камеры установлено дополнительное центральное сопло, подсоединенное к дополнительному источнику рабочей среды.