Кавитатор для подводной очистки закольматированных поверхностей твердых тел

Изобретение относится к области технологии обработки закольматированных поверхностей твердых тел, находящихся в подводном положении, в частности для очистки фильтров и стенок гидрогеологических и нефтяных скважин кавитирующей и напорной струей жидкости, и может быть использовано при создании подводных кавитаторов. Кавитатор состоит из проточного канала с профилем, образованным соосно расположенными и последовательно соединенными между собой входным конфузором, цилиндрическим каналом и выходным диффузором. Кавитатор размещен в цилиндрическом канале фильтра скважины. В цилиндрическом канале кавитатора смонтирован успокоитель потока жидкости в виде ячеистого тела, состоящего из равновеликих продольных пластин, длина ℓ₂ которых определяется соотношением 2<ℓ₂<2,6d_k, где d_k - диметр входной части цилиндрического канала. Пластины образуют ячейки равной площади в количестве, кратном четным числам. Расстояние ℓ₁ от начала цилиндрического канала до успокоителя потока жидкости определяется соотношением 2,8<ℓ₁<3d_k. Расстояние ℓ₃ от конца цилиндрического канала до успокоителя потока жидкости определяется соотношением 2,4<ℓ₃<2,6d_k. Входной диаметр выходного диффузора d_Д больше выходного диаметра канала. Повышается степень кавитации и увеличивается протяженность рабочей струи за счет устранения возмущающих факторов потока жидкости и улучшения его гидродинамических характеристик. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области технологии обработки закольматированных поверхностей твердых тел, находящихся в подводном положении, в частности для очистки фильтров и стенок гидрогеологических и нефтяных скважин кавитирующей и напорной струей жидкости, и может быть использовано при создании подводных кавитаторов.

Известно устройство для очистки твердых поверхностей, находящихся в затопленной среде, представляющее собой насадок с профилем внутренней поверхности, образованным последовательно и соосно расположенными входным конфузором, цилиндрической частью и выходной частью, выполненной также по форме конфузора /1/. Данный насадок имеет ряд недостатков, главным из которых является формирование струи жидкости высокого давления только за счет большого потребления энергии, что не во всех условиях оправдано; очистка поверхности производится исключительно энергией высоконапорной струи жидкости, исключая кавитационный и акустический эффекты.

Известно также устройство для подводной очистки корпусов судов, содержащее корпус с входным конфузором, резонансную камеру и выходной диффузор, выполненный в виде рупора, соосно сообщенных между собой и расположенных последовательно по ходу движения жидкости /2/ - прототип. Недостатками данного технического решения являются сильная зависимость образования кавитационных пузырьков и акустических волн от характеристик рабочей жидкости - давления, турбулентности, которая существенно влияет на степень кавитации, температуры и т.д.; расстояние от рупора до обрабатываемой поверхности строго лимитировано и трудно контролируемо; трудность в подборе параметров резонансной камеры в связи с изменчивостью параметров рабочей жидкости во времени.

Необходимо отметить и еще одно весьма важное обстоятельство. Во всех известных устройствах для гидрокавитационной очистки твердых поверхностей, находящихся в затопленной зоне, авторы стремятся увеличить радиус эффективного воздействия кавитирующей струи жидкости, не задаваясь целью увеличения ее протяженности. Очистка поверхностей этими устройствами производится за счет их перемещения по очищаемой поверхности. В условиях ограниченного пространства забоя скважины такая возможность практически отсутствует или сводится к минимуму, т.к. очистка методом перемещения кавитатора сопряжена со значительными дополнительными затратами на установку и поддержание в рабочем состоянии специального оборудования на устье скважины.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания кавитатора для гидродинамической и гидрокавитационной очистки закольматированных поверхностей твердых тел, находящихся в затопленной среде, с повышенной степенью кавитации и увеличенной протяженностью рабочей струи жидкости за счет устранения возмущающих факторов потока и улучшения его гидродинамических характеристик.

Поставленная задача решается тем, что в кавитаторе, состоящем из проточного канала с профилем, образованным соосно расположенными и последовательно соединенными между собой входным конфузором, цилиндрическим каналом и выходным диффузором, при этом кавитатор находится внутри цилиндрической полости фильтра, закольматированного частицами горных пород, а в цилиндрическом канале кавитатора смонтирован успокоитель потока жидкости в виде ячеистого тела, состоящего из равновеликих продольных пластин, длина которых определяется соотношением 2<l₂<2,6 d_к, образующих ячейки равной площади в количестве, кратном четным числам, расстояние от начала цилиндрического канала до успокоителя потока жидкости определяется соотношением 2,8<l₁<3 d_к, а расстояние от конца цилиндрического канала до успокоителя потока жидкости определяется соотношением 1,8<l₂<2 d_к, и входной диаметр выходного диффузора d_д больше выходного диаметра цилиндрического канала d₁, где d_к - диаметр входной части цилиндрического канала, d_д - входной диаметр выходного диффузора, а d₁ - выходной диаметр цилиндрического канала.

Отличием предлагаемого технического решения кавитатора для подводной гидродинамической и гидрокавитационной очистки закольматированных поверхностей твердых тел является расположение его в цилиндрическом канале фильтра, а в цилиндрическом канале кавитатора-успокоителя потока жидкости, обеспечивающего значительное уменьшение вредного влияния возмущения потока жидкости от турбулизации его при вхождении в цилиндрический канал и прохождении по цилиндрическому каналу, при этом входной диаметр выходного диффузора больше выходного диаметра цилиндрического канала.

Из теории динамики струй известно, что при прохождении потока жидкости по каналу, имеющему возмущающие препятствия, такие как изгибы, сужения, преграды или просто значительную шероховатость стенок, в потоке возникают завихрения, способные преобразовать движение потока из ламинарного в турбулентное. В турбулентном потоке потери напора на преодоление трения значительно большие, чем в ламинарном потоке при равных прочих параметрах трубопровода. Если при ламинарном течении жидкости потери напора потока на трение возрастают пропорционально росту скорости в первой степени, то при турбулентном течении - во второй степени.

Экспериментально установлено, что турбулентный поток жидкости при выходе из гидромониторной насадки обладает гораздо меньшей гидродинамической силой (от 3 до 7 раз), чем ламинарный поток при однозначных конструктивных параметрах насадки и гидравлическом напоре. В результате протяженность ядра струи с эффективным гидродинамическом воздействии на преграду резко уменьшается. Кроме того, турбулентность потока жидкости, проходящей по цилиндрическому каналу кавитатора, заметно снижает и коэффициент кавитации.

Успокоитель потока жидкости в значительной степени улучшает условия формирования струи. Он разделяет поток воды, движущейся по каналу, на несколько частей и способствует гашению возмущений, возникших в потоке при подходе к успокоителю, а также выравнивает продольные скорости и погашает энергию турбулентных возмущений, что положительно влияет на образование компактных гидромониторных струй.

Степень гашения турбулентных пульсаций и возмущений при прохождении потока жидкости по цилиндрическому каналу кавитатора зависит от конструкции и месторасположения успокоителя в цилиндрическом канале.

Экспериментальные исследования показали, что наиболее эффективной конструкцией успокоителя потока жидкости является конструкция, состоящая из равновеликих пластин, в собранном виде образующих ячеистое тело с ячейками равной площади и линейными параметрами, приведенными выше. При этом наилучшие характеристики потока жидкости получаются при количестве ячеек, кратном четным числам. Данная конструкция кавитатора обеспечивает повышение степени кавитации в 1,8 раза и увеличивает протяженность кавитационного потока в 1,6 раза. Кроме того, увеличивается эффективность гидродинамического действия напорной струи жидкости за пределами области кавитационного воздействия на очищаемую поверхность.

Изобретение поясняется чертежами, на которых

фиг.1 - схематическое изображение кавитатора в разрезе;

фиг.2 - сечение кавитатора в плоскости А-А.

На фиг.1 представлена конструкция кавитатора, находящегося внутри цилиндрической полости 1 (например, фильтра, закольматированного частицами горных пород), который состоит из конфузора 2, цилиндрического канала 3, успокоителя потока жидкости 4 и диффузора 5, соосно расположенных и последовательно соединенных друг с другом. Из фиг.1 видно, что жидкость под определенным напором поступает в конфузор 2, подключенный к источнику жидкости повышенного давления (на фиг.1 источник не показан, а направление хода жидкости показано стрелкой), который жестко соединен с цилиндрическим каналом 3 общей длиной L, равной величине l₁+l₂+l₃ диаметром d_к. На расстоянии l₁ от начала канала размещен успокоитель потока жидкости 4, состоящий из равновеликих пластин длиной l₂, которые упираются в кольцевую проточку цилиндрического канала 3, препятствующую смещению успокоителя по ходу движения потока жидкости. К концевому участку цилиндрического канала l₃ подсоединен диффузор 5, входной диаметр d_д которого больше выходного диаметра цилиндрического канала d₁, т.е. канал заканчивается острой кромкой, способствующей увеличению радиуса кавитационного потока.

На фиг.2 представлен разрез кавитатора в плоскости А-А, из которого видно, что равновеликие пластины 6, составляющие успокоитель потока жидкости, образуют ячейки равной площади (в данном варианте квадратного сечения со сторонами квадрата, равными а) в количестве, кратном четным числам. Величина l₁ определяется соотношением 2,8<l₁<3d_к, величина l₂ - соотношением 2<l₂<2,6 d_к, а величина l₃ соотношением 2,4<l₃<2,6d_к, где d_к -диаметр входной части цилиндрического канала. Остальные геометрические размеры пластин, за исключением указанных выше, определяются исходя из диаметра цилиндрического канала.

Таким образом, предлагаемое техническое решение кавитатора для подводной гидродинамической и гидрокавитационной очистки закольматированных поверхностей твердых тел обладает следующими преимуществами перед известными.

1. Сводится к минимуму турбулентность потока жидкости и выравниваются продольные скорости разделенных струй, увеличивая компактность, а следовательно, и гидродинамическое воздействие струи на очищаемую поверхность.

2. Увеличивается степень кавитации и протяженность кавитирующей области струи и, как следствие, разрушающая способность струи на большем расстоянии от края истечения.

3. Реализована способность очистки закольматированных поверхностей одновременным воздействием на них гидродинамическим напором водяной струи и кавитацией.

Источники информации

1. А.c. СССР №1636072, кл. Е 21 В 08 В 3/02, от 13.12.1985.

2. Патент РФ №2123957, кл. Е 21 В 63 В 59/08, от 27.12.1997.

1. Кавитатор для подводной гидродинамической и гидрокавитационной очистки закольматированных поверхностей твердых тел, состоящий из проточного канала с профилем, образованным соосно расположенными и последовательно соединенными между собой входным конфузором, цилиндрическим каналом и выходным диффузором, отличающийся тем, что кавитатор находится внутри цилиндрической полости фильтра, закольматированного частицами горных пород, в цилиндрическом канале кавитатора смонтирован успокоитель потока жидкости в виде ячеистого тела, а входной диаметр выходного диффузора d_д больше выходного диаметра цилиндрического канала d₁.

2. Кавитатор по п.1, отличающийся тем, что ячеистое тело выполнено из равновеликих пластин, расположенных вдоль потока жидкости и образующих ячейки равной площади.

3. Кавитатор по п.1, отличающийся тем, что расстояние от начала цилиндрического канала до успокоителя потока жидкости l₁ определяется соотношением 2,8<l₁<3d_к, а расстояние от конца цилиндрического канала до успокоителя потока жидкости l₃ определяется соотношением 1,8<l₃<2d_к, где d_к - диаметр входной части цилиндрического канала.

4. Кавитатор по п.2, отличающийся тем, что количество ячеек должно быть кратным четным числам.

5. Кавитатор по п.2, отличающийся тем, что длина продольных пластин, образующих ячейки, определяется соотношением 2,4<l₂<2,6d_к.

6. Кавитатор по п.1, отличающийся тем, что длина цилиндрического канала L определяется соотношением 7,0<L<7,6d_к.