Способ и устройство для генерирования колебаний давления в потоке жидкости

Способ и устройство для генерирования колебаний давления в потоке жидкости

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и, кроме того, может быть использовано в химической промышленности для получения эмульсий.

Известен способ генерирования колебаний давления в потоке жидкости, ближайший по технической сущности и взятый за прототип, реализованный устройством (см. заявку №4224723/03 от 26.01.1987, опубл. 04.12.2003г., патент №1450448), заключающийся в том, что жидкость подают через каналы подвижного вала в канал неподвижной втулки и для обеспечения периодического протока жидкости совмещают оси каналов, а прерывание протока жидкости через канал втулки с заданной частотой f осуществляют за счет смещения каналов вала относительно канала втулки.

Этот способ генерирования колебаний давления в потоке жидкости в магистрали за генератором основан на прерывании протекания жидкости через каналы генератора за счет смещения его внутренних деталей относительно друг друга. Жидкость подают на вход в генератор с некоторым избыточным давлением и в случае совмещения внутренних каналов она беспрепятственно движется через генератор далее. При этом давление в потоке жидкости перед и за генератором сохраняется неизменным. При смещении внутренних каналов относительно друг друга протекание жидкости через генератор прекращается и давление в канале за генератором уменьшается. Таким образом обеспечивают колебание давления в потоке жидкости за генератором.

Подвижным элементом генератора является канал вала. Вал установлен в неподвижной втулке с возможностью осевого смещения, а в боковой стенке втулки выполнен перепускной канал. При определенном положении вала его канал совмещен с перепускным каналом втулки и проток для жидкости открыт. При ином положении вала его канал смещается относительно перепускного канала втулки и проток жидкости через генератор прекращается.

Недостатком способа генерации колебаний давления, взятого за прототип, является неопределенность положения проходного канала вала относительно перепускного канала втулки и вследствие этого - хаотичность периода колебаний давления в потоке жидкости за генератором.

Известен гидромеханический генератор колебаний в потоке жидкости, содержащий вал с радиальными каналами, установленный коаксиально в полой втулке (см. Гадиев С.М. Использование вибраций в добыче нефти. М., Недра, 1977г., стр.148).

Полый вал с радиальными сквозными перепускными каналами соединен неподвижно с полым корпусом устройства, а подвижная втулка перемещается по валу, совершая возвратно-поступательные движения. Корпус, вал и втулка в собранном виде образуют две полости, в которых попеременно повышается давление, поскольку втулка перекрывает перепускные каналы вала, выходящие из этих полостей, а повышение давления в одной полости выталкивает из нее втулку и приводит к перекрытию перепускного канала другой полости. Таким образом генерируются колебания давления в вытекающей из устройства жидкости.

Недостатком этого устройства является непериодичность формируемых колебаний давления в потоке жидкости вследствие бессистемности перемещения втулки по валу.

Известен гидромеханический генератор колебаний в потоке жидкости, ближайший по технической сущности и взятый за прототип (см. заявку №4224723/03 от 26.01.1987, опубл. 04.12.2003г., патент №1450448), содержащий подвижный вал со сквозными каналами, установленный коаксиально в неподвижной втулке с радиальным перепускным каналом в стенке.

В полой цилиндрической втулке с глухим днищем коаксиально установлен подвижный вал. В боковой стенке втулки выполнен перепускной сквозной канал. Вал центрируется во втулке за счет радиальных стоек, выполненных в двух ярусах. На стойках внутреннего яруса выполнены торцевые приливы. Вал подпружинен во втулке в осевом направлении, но зафиксирован стойками от радиального перемещения. Между стойками обеспечено свободное протекание жидкости.

Жесткость пружины, связывающей вал со втулкой в осевом направлении, подобрана такой, что при определенном давлении подачи жидкости вал перемещается во втулке, перекрывая приливами стоек перепускной канал. При снижении давления пружина выталкивает вал обратно и канал открывается. Таким образом обеспечивается прерывистость протекания жидкости через генератор.

Недостатком генератора, взятого за прототип, является неопределенность положения вала во втулке и степень открытия или же закрытия перепускного канала втулки может быть неполным. Это приведет к уменьшению амплитуды колебания давления за генератором.

Технический результат достигается за счет того, что в способе генерирования колебаний давления в потоке жидкости, заключающемся в том, что жидкость подают через каналы подвижного вала в канал неподвижной втулки и для обеспечения периодического протока жидкости совмещают оси каналов, а прерывание протока жидкости через канал втулки с заданной частотой f осуществляют за счет смещения каналов вала относительно канала втулки, периодическое смещение каналов вала относительно канала втулки производят за счет вращения подвижного вала со скоростью ω = f/ 2n, где n - количество каналов во вращающемся вале.

В генераторе колебаний давления подвижный вал со сквозными каналами установлен коаксиально в неподвижной втулке с радиальным перепускным каналом в стенке, причем вращающийся вал выполнен с радиальным каналом и хвостовиком и установлен во втулке таким образом, что оси каналов втулки и вала совмещены, или же во вращающемся вале может быть выполнено несколько сквозных радиальных каналов, оси которых расположены в одной радиальной плоскости.

Предложенный способ генерирования колебаний давления состоит в следующем.

Гидромеханический генератор колебаний давления состоит из стального корпуса (1) с входным и выходным штуцерами (см. фиг.1), в котором неподвижно установлена бронзовая втулка (2), в которую, в свою очередь, вставлен подвижный стальной вал (3). Бронзовая втулка представляет собой полое тело вращения с двумя радиальными сквозными перепускными каналами в стенке, расположенными напротив друг друга на общей оси. Один канал является входным, в него подается под давлением вытесняющая жидкость, а другой канал является выходным, из него жидкость вытекает. Во втулке выполнено центральное глухое сверление с плоским днищем, в которое вставлен подвижный вал с радиальным сквозным сверлением. С одной стороны у вала предусмотрен плоский торец, которым вал вставляется в канал втулки, а с другой стороны у вала выполнен хвостовик в виде вписанного шестигранника, к которому крепится привод электродрели.

Вал плотно вставляется в центральный канал втулки таким образом, что упирается своим плоским торцом в плоское днище канала и может свободно вращаться в канале. В осевом направлении вал фиксируется, при этом радиальная плоскость, в которой выполнено сверление вала, совпадает с плоскостью, в которой выполнены радиальные сверления в стенке втулки.

Во время работы вал поворачивается, и в определенном положении канал вала совмещается с перепускными каналами втулки, обеспечивая сквозной проток для жидкости. При этом давление в потоке жидкости в магистрали за генератором равно давлению перед генератором. При дальнейшем поворачивании вала совмещение каналов вала и втулки нарушается и проток для жидкости закрывается. Давление в магистрали за генератором уменьшается. Прерывание протока жидкости через генератор за счет вращения вала с каналом позволяет генерировать колебания давления в потоке жидкости строго определенной периодичности.

Самая простая конструкция подвижного вала представлена на фиг.2. Вал представляет собой тело вращения с хвостовиком в виде вписанного шестигранника и радиальным сквозным каналом - сверлением. Торец вала с противоположной от хвостовика стороны выполнен плоским. Этим торцом вал упирается в плоское днище глухого осевого сверления в неподвижной втулке. Таким образом задается положение вала во втулке в осевом направлении. При такой конструкции вала совмещение канала вала с перепускным каналом неподвижной втулки происходит дважды за один оборот вала. При вращении вала со скоростью ω = 1000 об/мин частота генерируемых колебаний давления составит f = 2000 Гц.

Для уменьшения частоты генерируемых колебаний давления при неизменной скорости вращения вала представлена конструкция вала с ломаным каналом (см.фиг.3). В теле подвижного вала выполнено осевое глухое сверление, заглушенное со стороны хвостовика. В стенке вала с противоположных сторон в осевой плоскости выполнены два глухих сверления до осевого канала, каждое из которых расположено в своей радиальной плоскости. В этом случае перепускной канал неподвижной втулки выполняется такой же формы и отверстия канала втулки совпадают с отверстиями канала вала. При такой форме каналов вала и втулки совмещение и входного, и выходного отверстий происходит один раз за один оборот вала. При вращении вала со скоростью ω = 1000 об/мин частота генерируемых колебаний давления составит также f = 1000 Гц.

Для увеличения частоты генерируемых колебаний давления при неизменной скорости вращения вала представлена конструкция вала с несколькими радиальными каналами, расположенными в одной плоскости. Но в центре вала в области пересечения нескольких сверлений стенки вала остаются недопустимо тонкими. Для сохранения прочности вала при радиальном расположении нескольких каналов предлагается выполнить утолщение в этом месте. Утолщение вала выполняется в форме диска, расположенного в радиальной плоскости (см.фиг.4). Изменение диаметра диска позволяет регулировать заполненность циклов. При неизменном количестве каналов вала и увеличении диаметра диска расстояние между входными отверстиями каналов увеличивается, равно как и между выходными отверстиями. Интервал между всплесками давления на осциллограмме также увеличится при равном периоде колебаний.

Предложенный способ генерирования колебаний давления в потоке жидкости позволяет произвести равномерное прерывание протока жидкости через генератор и обеспечить повторяемость циклов нарастания и уменьшения давления в потоке жидкости за генератором, а также периода и амплитуды колебаний давления.

На фиг.1 представлена схема гидродинамического генератора колебаний давления в потоке жидкости.

На фиг.2 представлена схема вала с одним радиальным каналом.

На фиг.3 представлена схема вала с каналом ломаной формы.

На фиг.4 представлена схема вала с утолщением и несколькими радиальными каналами в нем.

Гидродинамический генератор колебаний давления в потоке жидкости состоит из следующих элементов: корпуса (1) (см.фиг.1), втулки (2), вала (3), накидной гайки (4), уплотнительной втулки (5), поджимной гайки (6), шайбы (7) и уплотнительного кольца (8). Стальной корпус (1), выполненный с двумя штуцерами, расположенными на одной оси с противоположных сторон детали, выточен из прутка шестигранного профиля. В корпусе, в плоскости симметрии, выполнено центральное сверление перпендикулярно оси штуцеров. В это сверление вставлена бронзовая втулка (2), зажатая с обеих сторон через резиновые колечки (8) и шайбы (7) гайками с мелкой резьбой (6). Во втулке выполнено центральное глухое сверление с плоским днищем и радиальное сквозное сверление в стенке, представляющее собой два самостоятельных канала круглого сечения, расположенных на одной оси. В это сверление вставлен вал с плоскими торцами, шестигранным хвостовиком и сквозным радиальным сверлением. Вал вставлен во втулку таким образом, что упирается свободным плоским торцом в днище втулки, но имеет возможность вращаться, причем оси каналов втулки и вала совпадают. Во втулке со стороны, противоположной глухому торцу, выполнено сальниковое уплотнение вращающегося вала, поджатое накидной гайкой (4).

Работает устройство следующим образом. Вытесняющая жидкость подается под давлением через входной штуцер корпуса к одному из перепускных отверстий втулки. Дальнейшему движению жидкости препятствует подвижный вал. При вращении вала сквозной канал периодически совмещается с обоими каналами втулки. При этом свободный проток для жидкости открыт. При дальнейшем вращении вала его канал смещается относительно каналов втулки и проток для жидкости закрыт. Сальниковое уплотнение препятствует вытеканию жидкости наружу вдоль вала при его вращении.

1. Способ генерирования колебаний давления в потоке жидкости, заключающийся в том, что жидкость подают через каналы подвижного вала в канал неподвижной втулки и для обеспечения периодического протока жидкости совмещают оси каналов, а прерывание протока жидкости через канал втулки с заданной частотой f осуществляют за счет смещения каналов вала относительно канала втулки, отличающийся тем, что периодическое смещение каналов вала относительно канала втулки производят за счет вращения подвижного вала со скоростью ω=f/2n, где n - количество каналов во вращающемся вале.

2. Гидромеханический генератор колебаний давления для осуществления способа по п.1, содержащий подвижный вал со сквозными каналами, установленный коаксиально в неподвижной втулке с радиальным перепускным каналом в стенке, отличающийся тем, что вращающийся вал выполнен с радиальным каналом и хвостовиком и установлен во втулке таким образом, что оси каналов втулки и вала совмещены.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что на вращающемся вале выполнено утолщение в форме диска, расположенного в радиальной плоскости, в котором выполнено несколько сквозных радиальных каналов, расположенных в одной радиальной плоскости.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что ось сквозного канала во вращающемся вале представляет собой ломаную линию, а входное и выходное отверстия канала расположены в одной осевой плоскости, но в выходное отверстия канала расположены в одной осевой плоскости, но в разных радиальных плоскостях, причем расположение входного и выходного отверстий канала втулки выполнены соответственно расположениям входного и выходного отверстий канала вала.