СТРУЙНЫЙ АППАРАТ Российский патент 2024 года по МПК F04F5/44 

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

Известна струйная насосная установка, содержащая источник рабочей среды, рабочую камеру, сопло и диафрагму, размещенную между соплом и рабочей камерой (RU 2100659, 1997).

Недостатком известного технического решения является относительно узкий диапазон регулирования рабочих параметров потока на выходе сопла, поскольку преобразование энергии осуществляется в одной рабочей камере, жестко связанной с одним потребителем энергии.

Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому решению является струйный аппарат, содержащий, по меньшей мере, две рабочие камеры, сопло с входным и выходным каналами и размещенную между входным и выходным каналами сопла диафрагму, на которой установлен шток с возможностью возвратно-поступательного или углового перемещения диафрагмы относительно выходного канала сопла с обеспечением регулируемого направления потока рабочей среды в одну из рабочих камер (RU 2802351, 2022).

Недостатком известного решения является относительно узкий диапазон регулирования рабочих параметров потока на выходе сопла, что ограничивает область применения струйного аппарата при создании энергосберегающих безопасных технологий.

Указанное ограничение обусловлено ограниченным диапазоном регулирования площади выходного канала сопла при фиксированном положении рабочих камер.

В результате известное устройство обеспечивает только непрерывную подачу рабочей жидкости в сопло и одну рабочую камеру, поскольку установлена жесткая гидравлическая связь между входным каналом сопла и рабочими камерами.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение вариативности рабочих параметров потока на выходе сопла и на выходе у рабочих камер.

Указанная проблема решается тем, что струйный аппарат содержит по меньшей мере две рабочие камеры, сопло с входным и выходным каналами и размещенную в полости сопла между входным и выходным каналами сопла диафрагму, установленную на конце шарнирно закрепленного штока, с возможностью возвратно-поступательного или углового перемещения диафрагмы относительно выходного канала сопла, при этом диафрагма имеет поперечное сечение в виде круга или многоугольника, а выходной канал сопла, соответственно, имеет круглое или многоугольное поперечное сечение с обеспечением перемещения диафрагмы через выходной канал сопла, полного перекрытия выходного канала сопла или одной из рабочих камер и регулируемого направления потока рабочей среды в одну из рабочих камер или одновременно в несколько рабочих камер.

В частных конкретных случаях реализации изобретения:

• шток выполнен в виде трубы с обеспечением подачи рабочей среды в сопло и в зону установки диафрагмы;

• рабочие камеры выполнены в виде разнонаправленных каналов и сгруппированы в едином блоке с возможностью смещения разнонаправленных каналов относительно выходного канала сопла.

Достигаемый технический результат заключается в обеспечении контролируемого перераспределения энергии потока по отдельным рабочим камерам за счет гибкого регулирования гидравлической связи между входным каналом сопла и рабочими камерами, и как следствие, обеспечение регулирования параметров «количества движения» потоков в поперечном сечении на выходе сопла и отдельных рабочих камер, включая полное отключение сопла, одной или нескольких рабочих камер, что существенно при экстренных ситуациях, в частности, при внезапном отключении потребителей энергии.

Сущность описываемого изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1 показана схема струйного аппарата; на фиг. 2 схема струйного аппарата (после поворота диафрагмы 7 на угол β относительно оси 9); на фиг. 3 показана схема струйного аппарата (диафрагма 7 перекрывает выходной канал 6 сопла 4); на фиг. 4 схема струйного аппарата (при повороте на угол β диафрагма 7 расположена между выходным каналом 6 и рабочей камерой 1); на фиг. 5 схема струйного аппарата (шток 8 ориентирован вдоль оси 9, а диафрагма 7 расположена между выходным каналом 6 и рабочей камерой 1); на фиг. 6 показана схема струйного аппарата (диафрагма 7 перекрывает рабочую камеру 1); на фиг. 7 схема струйного аппарата (вариант исполнения, при котором рабочие камеры 1 и 3 направлены в противоположные стороны, с возможностью для реверса потока); на фиг. 8 схема струйного аппарата (вариант исполнения, при котором шток 8 выполнен в виде трубы, с возможностью подачи текучей среды в сопло 4 и в зону установки диафрагмы 7); на фиг. 9 представлена трехмерная модель струйного аппарата (вариант исполнения); на фиг. 10 представлена трехмерная модель рабочих камер, выполненных в виде разнонаправленных каналов, сгруппированных в едином блоке (вариант исполнения с тремя рабочими камерами); на фиг. 11 представлена трехмерная модель рабочих камер, выполненных в виде разнонаправленных каналов, сгруппированных в едином блоке (вариант исполнения с двумя рабочими камерами).

Предлагаемый струйный аппарат содержит, по меньшей мере, две рабочие камеры 1 и 2 (в рассмотренном примере показано исполнение с тремя рабочими камерами 1, 2 и 3), сопло 4 с входным 5 и выходным 6 каналами, диафрагму 7, установленную на конце шарнирно закрепленного штока 8, с возможностью возвратно-поступательного или углового перемещения диафрагмы 7 относительно выходного канала 6 сопла 4. Угловое перемещение на фигурах обозначено как β. Также возможно угловое смещение (поворот) диафрагмы 7 вокруг оси 9 во всем диапазоне от плюс 180 градусов до минус 180 градусов. Шток 8 конструктивно проходит через шарнир 10 для возвратно-поступательного или углового перемещения диафрагмы 7 относительно выходного канала 6 сопла 4, с возможностью перемещения диафрагмы 7 через выходной канал 6 сопла 4, и с обеспечением регулируемого направления потока рабочей среды в одну из рабочих камер или в несколько рабочих камер 1, 2, 3 (фигуры 4, 5, 7).

Выходной канал 6 сопла 4 гидравлически связан с рабочей камерой 1 или с рабочими камерами 2, 3. Количество рабочих камер может быть увеличено.

Диафрагма 7 может быть размещена между входным 5 и выходным 6 каналами сопла 4 с возможностью линейного и углового смещения относительно выходного канала 6 сопла 4 для контролируемого изменения направления потока в выходном канале 6 сопла 4 (фигуры 1 и 2).

Шток 8 может быть выполнен в виде трубы (фиг. 8), с возможностью подачи рабочей среды (газ или жидкость, или многофазная многокомпонентная среда) в сопло 4 и в зону установки диафрагмы 7, для выполнения специальной технологической задачи (например, для охлаждения стенок изделия, или для впрыска жидкости с целью управления вектором тяги). На фигуре 8 стрелками 11 показано направление потока через шток 8, выполненный в виде трубы.

Диафрагма 7 и выходной канал 6 сопла 4 могут иметь различные исполнения и формы. Диафрагма 7 имеет поперечное сечение в виде круга или многоугольника, а выходной канал 6 сопла 4, соответственно, имеет круглое или многоугольное поперечное сечение с обеспечением перемещения диафрагмы 7 через выходной канал 6 сопла 4, с полным перекрытием выходного канала 6 сопла 4 или одной из рабочих камер и с обеспечением регулируемого направления потока рабочей среды в одну из рабочих камер или одновременно в несколько рабочих камер.

В примере по фигуре 9 диафрагма 7 имеет поперечное сечение в виде круга. Возможно использование и других геометрических форм для выполнения диафрагмы 7, включая различные варианты с многоугольниками (квадрат, ромб, пятиугольник или другие формы). Сама диафрагма 7 и сопло 4 могут иметь различные исполнения и формы, включая варианты с изменяемой геометрией. Возможно также вращение диафрагмы 7, например, вокруг оси 9, с постоянной или с переменной угловой скоростью. Для линейного и углового смещения диафрагмы 7 могут быть использованы различные известные системы привода, например электромагнитный привод, или гидравлический привод (на фигурах не показан). К примеру, кинематическая связь между диафрагмой 7 и упомянутой системой привода может быть реализована с использованием штока 8.

Струйный аппарат работает следующим образом.

В сопло 4 через входной канал 5 подается рабочая среда (жидкость, газ или газожидкостная смесь). Источник рабочей среды на фигурах не показан.

Поток рабочей среды проходит через выходной канал 6 сопла 4. Из сопла 4 поток рабочей среды направляется в рабочую камеру 1 (фигура 1). Направление потока на фигурах показано стрелками. В рабочей камере 1 осуществляется перемешивание рабочей среды с перекачиваемой средой и реализуется эжекционный рабочий процесс, при котором часть энергии от потока рабочей среды передается потоку перекачиваемой среды. После прохода через рабочую камеру 1, смесь рабочей и перекачиваемой среды направляется далее в технологическую систему, которая на фигурах не показана.

Диафрагма 7 может быть размещена между входным 5 и выходным 6 каналами сопла 4 с возможностью линейного и углового смещения относительно выходного канала 6 сопла 4 для контролируемого изменения направления потока в выходном канале 6 сопла 4. За счет шарнира 10 при повороте штока 8 и диафрагмы 7 поток рабочей среды может быть направлен в рабочую камеру 2 или 3, в зависимости от решаемой технологической задачи (фигуры 1 и 2).

При линейном смещении (вдоль оси 9) и при угловом смещении β диафрагмы 7 изменяется направление потока в выходном канале 6 сопла 4 (фигура 2). Сочетание линейного и углового смещения диафрагмы 7 относительно выходного канала 6 сопла 4 позволяет гибко регулировать направление потока рабочей среды в пределах нижней геометрической полусферы, к примеру (фигура 1 и 2). При таком регулировании поток рабочей среды может быть направлен в одну рабочую камеру, или в две рабочие камеры, или в три рабочие камеры. Распределение рабочей среды по рабочим камерам 1, 2, 3 может быть равномерным или неравномерным, в зависимости от решаемой технологической задачи.

С помощью диафрагмы 7 обеспечивается возможность для полного перекрытия выходного канала 6 сопла 4 (фиг. 3).

Диафрагма 7 может быть размещена между выходным каналом 6 и рабочей камерой 1 с возможностью линейного и углового смещения относительно выходного канала 6 сопла 4 для контролируемого изменения направления потока в выходном канале 6 сопла 4 (фигуры 4, 5, 7). При повороте штока 8 и диафрагмы 7 поток рабочей среды может быть направлен в рабочую камеру 2 или 3, в зависимости от решаемой технологической задачи (фигуры 4, 5, 7).

С помощью диафрагмы 7 обеспечивается возможность для полного перекрытия одной из рабочих камер 1 (фиг. 6).

На фиг. 10 и 11 показаны варианты, где рабочие камеры 1, 2 и 3 выполнены в виде разнонаправленных каналов, сгруппированных в едином блоке с возможностью смещения разнонаправленных каналов относительно выходного канала 6 сопла 4, и с возможностью поворота (углового смещения) этого блока относительно оси 9. В подобных случаях открываются возможности для управления вектором тяги в пределах полной геометрической сферы. Для линейного и углового смещения блока из рабочих камер 1, 2 и 3 могут быть использованы различные известные системы привода, например электромагнитный привод, или гидравлический привод (на фигурах не показан).

Таким образом, обеспечивается регулирование параметров «количества движения» потоков в поперечном сечении на выходе сопла и отдельных рабочих камер, определяемое как произведение массового расхода на скорость течения.

Возможно вращение диафрагмы 7, например, вокруг оси 9. В таком случае может быть реализован импульсный (нестационарный) режим течения через рабочие камеры 1, 2, 3. При этом в каналах сопла 4 и диафрагмы 7 может поддерживаться стационарный режим течения.

Также рассматриваются варианты, когда шток 8 выполнен в виде трубы (фиг. 8), с возможностью подачи специальной рабочей среды (газ или жидкость, или многофазная многокомпонентная среда) в сопло 4 и в зону установки диафрагмы 7, для выполнения специальной технологической задачи (например, для охлаждения стенок изделия, или для впрыска жидкости в поток горячего газа с целью управления вектором тяги). На фигуре 8 представлен вариант исполнения струйного аппарата, где стрелками 11 показано направление потока специальной рабочей среды через шток 8, выполненный в виде трубы.

Таким образом, предлагаемое изобретение решает проблему расширения вариативности рабочих параметров потока на выходе сопла и на выходе рабочих камер с обеспечением контролируемого перераспределения энергии потока по отдельным рабочим камерам за счет гибкого регулирования гидравлической связи между входным каналом сопла и рабочими камерами.

Изобретение относится к области струйной техники, включая струйные насосы и компрессоры, струйные системы управления и струйные реактивные движители для систем динамического позиционирования с управлением вектором тяги. Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение вариативности рабочих параметров потока на выходе сопла и на выходе у рабочих камер. Указанная проблема решается тем, что струйный аппарат содержит по меньшей мере две рабочие камеры, сопло с входным и выходным каналами и размещенную в полости сопла между входным и выходным каналами сопла диафрагму, установленную на конце шарнирно закрепленного штока, с возможностью возвратно-поступательного или углового перемещения диафрагмы относительно выходного канала сопла, при этом диафрагма имеет поперечное сечение в виде круга или многоугольника, а выходной канал сопла, соответственно, имеет круглое или многоугольное поперечное сечение с обеспечением перемещения диафрагмы через выходной канал сопла, полного перекрытия выходного канала сопла или одной из рабочих камер и регулируемого направления потока рабочей среды в одну из рабочих камер или одновременно в несколько рабочих камер. Достигаемый технический результат заключается в обеспечении контролируемого перераспределения энергии потока по отдельным рабочим камерам за счет гибкого регулирования гидравлической связи между входным каналом сопла и рабочими камерами и, как следствие, обеспечении регулирования параметров «количества движения» потоков в поперечном сечении на выходе сопла и отдельных рабочих камер, включая полное отключение сопла, одной или нескольких рабочих камер, что существенно при экстренных ситуациях, в частности при внезапном отключении потребителей энергии. 2 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Струйный аппарат, характеризующийся тем, что он содержит по меньшей мере две рабочие камеры, сопло с входным и выходным каналами и размещенную в полости сопла между входным и выходным каналами сопла диафрагму, установленную на конце шарнирно закрепленного штока, с возможностью возвратно-поступательного или углового перемещения диафрагмы относительно выходного канала сопла, при этом диафрагма имеет поперечное сечение в виде круга или многоугольника, а выходной канал сопла, соответственно, имеет круглое или многоугольное поперечное сечение с обеспечением перемещения диафрагмы через выходной канал сопла, полного перекрытия выходного канала сопла или одной из рабочих камер и регулируемого направления потока рабочей среды в одну из рабочих камер или одновременно в несколько рабочих камер.

2. Струйный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что шток выполнен в виде трубы с обеспечением подачи рабочей среды в сопло и в зону установки диафрагмы.

3. Струйный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что рабочие камеры выполнены в виде разнонаправленных каналов и сгруппированы в едином блоке с возможностью смещения разнонаправленных каналов относительно выходного канала сопла.