Многосопловый эжектор

 

Использование: для перекачки различных газов, жидкостей и сыпучих материалов. Сущность: в многосопловом эжекторе, содержащем диффузорную камеру смешения с выходным цилиндрическим участком и с расположенными в стенке камеры смешения дискретными активными соплами, последние выполнены с возможностью установки заглушки на их входе и установлены с возможностью их замены и осевого перемещения, вдоль камеры смешения дискретные активные сопла расположены ступенями, каждая из которх выполнена в виде двух рядов сопл с постоянными геометрическими размерами сопл, расстояние между смежными рядами сопл составляет 3-4 диаметра поперечного сечения камеры смешения в первом ряде активных сопл, а в каждой ступени сопла размещены равномерно по окружности со смещением относительно друг друга в окружном направлении и размещением их в продольном направлении в шахматном порядке. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к струйной технике, в частности, к струйным насосам, используемым для перекачки различных газов, жидкостей и сыпучих материалов, а также для создания и поддержания разрежения в замкнутых объемах промышленных и экспериментальных установок.

При эксплуатации эжекторов, особенно многосопловых, одной из важных и актуальных проблем является регулирование его геометрических параметров. Это имеет, например, особенное значение для работы эжекторов на нефтегазовых месторождениях с изменяющимися во времени параметрами природных газов (давления, расходов и т.п.). Успешное решение этой проблемы позволяет расширить и оптимизировать режим работы эжектора и одновременно продлить срок его эксплуатации на конкретной промышленной установке, т.е. обеспечить в итоге эффективность работы одного из звеньев энергосберегающей и экологически чистой технологии в нефтегазовой отрасли.

Известен многосопловый газовый эжектор, содержащий магистрали подачи высоко- и низконапорного газов, форкамеру высоконапорного газа с расположенной внутри диффузорной камерой, в стенки которой дискретные сопла вмонтированы по спирали и имеют соотношение диаметров критических и выходной сечений d'_*/d' 0,1-0,9. Сопла имеют наклон к оси эжектора 15^о и угол разворота 5^о. Недостатком этого эжектора является узкая область применения вследствие фиксированного отношения диаметров d'_*/d' 0,1-0,9, отсутствия возможности регулирования основных геометрических размеров эжектора, неоптимальности фиксированного угла наклона сопл 15^ои др.

Наиболее близким к изобретению является многосопловый эжектор, содержащий магистрали подачи высоконапорного и низконапорного газов, форкамеру высоконапорного газа с расположенной внутри диффузорной камерой смешения, в стенках которой размещены дискретные сопла с углами наклона к оси эжектора 5-15^о.

Недостатком этого эжектора является отсутствие возможности регулирования геометрии его основных элементов: площади канала низконапорного газа, площади диффузорной камеры смешения, размеров и положения критических и выходных отверстий дискретных сопл высоконапорного газа. Этот недостаток существенно ограничивает рабочие характеристики многосоплового эжектора и диапазон его практического применения.

Многосопловый эжектор, содержащий патрубки высоконапорного и низконапорного газов, форкамеры высоконапорного и низконапорного газов, диффузорную камеру смешения с выходным цилиндрическим участком и с расположенными в стенке камеры смешения дискретными активными соплами и выхлопной диффузор, дискретные активные сопла выполнены с возможностью установки заглушки на их входе и установлены с возможностью их замены и осевого перемещения, вдоль камеры смешения дискретные активные сопла расположены ступенями, каждая из которых выполнена в виде двух рядов сопл с постоянными геометрическими размерами сопл, расстояние между смежными рядами сопл составляет 3-4 диаметра поперечного сечения камеры смешения в первом ряду активных сопл, а в каждой ступени сопла размещены равномерно по окружности со смещением относительно друг друга в окружном направлении и размещением их в продольным направлении в шахматном порядке. Эжектор дополнительно снабжен сменным центральным телом, установленным по оси диффузорной камеры смешения и диффузора, при этом центральное тело состоит из трех частей и снабжено передней и задней крестообразными опорами со стреловидными стойками, расположенными одна в форкамере и другая на цилиндрическом участке камеры смешения. Диффузорная камера смешения снабжена подвижной, скользящей опорой с возможностью ее свободного перемещения вдоль форкамеры высоконапорного газа.

На фиг. 1 изображена принципиальная конструктивная схема многоступенчатого многосоплового эжектора; на фиг. 2 узел дискретного сопла высоконапорного газа; на фиг. 3 вариант установки заглушки во входной канал подачи высоконапорного газа дискретного сопла.

Многоступенчатый многосопловый эжектор включает патрубки подачи низко- и высоконапорного газов соответственно 1 и 2, форкамеры высоко- и низконапорного газов 3 и 4. Внутри форкамеры 3 по оси размещена диффузорная камера смешения 5, в корпусе которой установлены узлы дискретных сопл газа высокого давления. По ходу газа за форкамерой высокого давления 3 выполнен цилиндр 7, к которому крепится выхлопной диффузор 8. По оси диффузорной камеры смешения 5 размещено центральное тело, состоящее из начальной, средней и конечной частей 9, 10 и 11, кроме того, центральное тело имеет переднюю 12 и заднюю 13 опоры. Для предохранения диффузорной камеры смешения 5 от деформации и прогиба при перемонтажных работах в нижней части ее жестко закреплена подвижная опора 14. Узел дискретного сопла 6 включает фиксирующую полую втулку 15 с винтовой нарезкой на конце. По оси полой втулки 15 размещена сменная гильза 16 с внутренним резьбовым наконечником, на котором устанавливается сменное дискретное сопло 17. Для герметизации полой втулки 15 и гильзы 16 имеется промежуточная втулка 18 и уплотнительное кольцо 19. Для заглушения дискретного сопла 17 при переходе на другой режим имеется заглушка 20.

Основным параметром патрубков 1 и 2 является их внутренний диаметр, который, как и диаметр подводящих трубопроводов, принимается из условия обеспечения возможно меньших потерь полного давления газа при течении по трубопроводам и при втекании в форкамеры. Для этого скорость течения газа в патрубках 1 и 2 и в подводящих трубопроводах не должна превышать величину W_max ≈ 30 м/с. Тогда при заданных газодинамических параметрах газов (давлении, расходе и температуре) и W_max по уравнению сохранения расхода легко определяется площадь и диаметр поперечного сечения каждого патрубка.

Форкамера (3 и 4) имеет внутренний диаметр приблизительно в 2-4 раза больший, чем минимальный диаметр сопла центрального или эквивалентного при кольцевой или многосопловой подачах высоконапорного газа из форкамеры в камеру смешения. Остальные размеры форкамеры являются констpуктивными.

Диффузорная камера смешения 5 является одним из основных рабочих элементов многосоплового эжектора. Ее внутренняя полость представляет собой расширяющийся диффузорный канал, как правило, с прямолинейными стенками и с выходными сопловыми отверстиями наклонных сквозных каналов в стенке камеры смешения 5. Общий угол раскрытия стенок равен, например, α≈ 2-8^о, уменьшение или увеличение этого угла снижает эффективность процесса эжектирования, что установлено экспериментальным исследованием. Каждый парный ряд представляет собой ступень многосоплового эжектора с постоянными геометрическими параметрами сопл высоконапорного газа (отношением диаметров критического и выходного сечений d'_*/d', отношением суммарной площади выходных сечений сопл и площади поперечного сечения камеры смешения первого парного ряда f_εʹ '/f' и углов наклона сопловых отверстий в продольном и поперечном направлениях γ и β ).

Углы наклона γ≈ 10-15^о, причем большие величины для первых ступеней с постепенным их уменьшением до γ≈ 10^о в последних. Углы наклона β изменяются в пределах β ≈ , где n число ступеней эжектора, причем углы β выполняются только в первых смежных рядах. Указанные величины углов γ и β являются оптимальными на основании проведенных исследований.

Исходное наибольшее число ступеней многосоплового эжектора определяется соответственно при двух условиях: во-первых, при заданной минимальной величине суммарного коэффициента эжекции K_Σ (Q_o1 расход низконапорного газа; Σ_qi суммарный расход высоконапорного газа на все ступени) и, во-вторых, при обеспечении в каждой ступени величины коэффициента эжекции K_i 1. Если принять в каждой ступени постоянную величину K_i, то при заданном значении коэффициента K_Σ число ступеней эжектора n определяется из формулы 1+ -1 При эксплуатации предлагаемого многосоплового эжектора, особенно при его предварительных испытаниях и наладке, требуется частый перемонтаж диффузорной камеры смешения 5, например, при замене или отключении отдельных рядов дискретных сопл. Для облегчения и сокращения времени таких работ предусмотрено, что диффузорная камера смешения устанавливается своими начальными и конечными участками на скользящей посадке и имеет таким образом возможность свободного демонтажа из корпуса эжектора. При этом конечный участок камеры 5 перемещается в пределах форкамеры 3 высоконапорного газа на подвижной скользящей опоре 14.

Конструкция узлов 6 (на фиг. 1 не показаны) обеспечивает два важных признака предложенного эжектора: во-первых, возможность производить смену дискретных сопл, что позволяет оптимизировать рабочие характеристики эжектора при изменении параметров смешиваемых газов, например давлений, во-вторых, осуществлять регулирование площади начального участка камеры смешения каждой ступени за счет дискретного изменения осевого положения наконечника гильзы 16 с дискретным соплом 17. Такое регулирование площади, как показывают расчеты, особенно целесообразно для первых трех-пяти ступеней эжектора.

Изменение осевого положения гильзы 16 с соплом 17 осуществляется либо путем изготовления различной длины наконечника гильзы (т.е. несколько вариантов гильзы), либо путем установки сменной гильзы 18 различной ширины по правую сторону буртика гильзы 16 (на фиг. 2 показано левое положение сменной гильзы 18). В последнем случае уплотнительное кольцо 19 устанавливается также справа от буртика гильзы.

Внутренний диаметр гильзы 16 выполняется в 3-4 раза большим, чем диаметр критического сечения сопла 17, остальные размеры деталей узла дискретных сопл 6 конструктивные, производные в основном от заданных углов γ и β и внутреннего диаметра гильзы.

На фиг. 3 показан вариант установки заглушки 20 на входной участок узла дискретного сопла. Заглушка 20 в этом случае заменяет полую втулку 15. За счет установки заглушек 20 можно отключить определенную часть дискретных сопл многосоплового эжектора, что требуется при его эксплуатации. Заглушки 20 используются также для полного отключения всех сопл 17 при проверке герметичности корпуса эжектора с диффузорной камерой.

Цилиндрический отсек 7 имеет длину 1-2 диаметра. Он имеет несколько назначений: во-первых, как конечный участок диффузорной камеры смешения и, во-вторых, как опорный отсек для конечного участка диффузорной камеры смешения 5 и для задней опоры 13 центрального тела 10. Площадь поперечного сечения и соответственно диаметр цилиндрического отсека 7 определяется из расчета геометрических и газодинамических параметров последней ступени многоступенчатого многосоплового эжектора.

По продольной оси эжектора устанавливается центральное тело, состоящее из отдельных сменных частей 9, 10 и 11 и двух крестообразных стоек-опор передней 12 и задней 13.

Выполнение центрального тела из отдельных сменных частей позволяет изменять площади проходных сечений: канала низконапорного газа (частью 9 центрального тела), диффузорной камеры смешения 5 (частью 10) и диффузора 8 (частью 11). Если по условиям эксплуатации эжектора требуется изменить только часть 9, а 10, 11 и 13 снимаются.

Стойки-опоры центрального тела (12 и 13) имеют стреловидные передние кромки, что снижает их аэродинамическое сопротивление и соответственно уменьшает потери полного давления рабочего газа в эжекторе. Стойки по внешнему контуру входят на скользящей посадке в соответствующие цилиндрические участки корпуса эжектора. В поперечном сечении стойки опоры имеют конфигурацию аэродинамического профиля лопатки. Оптимальный угол установки такой лопатки определяется экспериментально.

Скользящая опора 14 перемещается вместе с конечным участком диффузорной камеры 5 в пределах между задней и передней стенками форкамеры 3 (при демонтаже). Эта опора, во-первых, предохраняет диффузорную камеру 5 от деформации и прогиба при перемонтажных работах и, во-вторых, облегчает их.

Эжектор работает следующим образом. Высоконапорный газ из форкамеры 3 через дискретные сопла 17 в виде сверхзвуковых струй втекает в диффузорную камеру смешения 5 и цилиндр 7 и эжектирует газ из магистрали низконапорного газа через патрубок 1 и форкамеру 4. В диффузорной камере смешения 5 и цилиндре 7 происходит смешение высоко- и низконапорного газов, и их смесь через выхлопной диффузор 8 истекает в заданный объем или трубопровод.

Формула изобретения

1. МНОГОСОПЛОВЫЙ ЭЖЕКТОР, содержащий патрубки высоконапорного и низконапорного газов, форкамеры высоконапорного и низконапорного газов, диффузорную камеру смешения с выходным цилиндрическим участком и с расположенными в стенке камеры смешения дискретными активными соплами и выхлопной диффузор, отличающийся тем, что дискретные активные сопла выполнены с возможностью установки заглушки на их входе и установлены с возможностью их замены и осевого перемещения, вдоль камеры смешения дискретные активные сопла расположены ступенями, каждая из которых выполнена в виде двух рядов сопл с постоянными геометрическими размерами сопл, расстояние между смежными рядами сопл составляет 3 4 диаметра поперечного сечения камеры смешения в первом ряде активных сопл, а в каждой ступени сопла размещены равномерно по окружности со смещением относительно друг друга в окружном направлении и размещением их в продольном направлении в шахматном порядке.

2. Эжектор по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен сменным центральным телом, установленным по оси диффузорной камеры смешения и диффузора, при этом центральное тело состоит из трех частей и снабжено передней и задней крестообразными опорами со стреловидными стойками, расположенными одна в форкамере и другая на цилиндрическом участке камеры смешения.

3. Эжектор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что диффузорная камера снабжена подвижной, скользящей опорой с возможностью ее свободного перемещения вдоль форкамеры высоконапорного газа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3