Способ генерирования колебаний жидкостного потока и гидродинамический генератор колебаний

Изобретение относится к гидродинамическим системам для создания колебаний при протекании флюидов и может быть использовано в горнодобывающей, нефтегазодобывающей, химической промышленности, машиностроении, медицине и в других областях техники. Способ генерирования колебаний жидкостного потока включает подачу жидкости под избыточным давлением, ее закручивание в радиально-щелевой камере, направление в магистраль, имеющую упругость, и стравливание через сопло. Гидродинамический генератор колебаний включает напорную магистраль с рабочей жидкостью и камеру закручивания с торцами, каналами закрутки и соплом. Камера закручивания выполнена в виде радиально-щелевой и снабжена, по крайней мере, одним дополнительным проточным каналом, вход в который расположен на радиусе, большем радиуса сопла. Дополнительный проточный канал соединен с магистралью, имеющей упругость, а каналы закрутки и/или камера закручивания снабжены направляющими для обеспечения возможности движения закрученного потока в сторону входа в дополнительный проточный канал. Изобретение позволяет расширить функциональные и эксплуатационные возможности способа и гидродинамического генератора колебаний при прежних расходах рабочей жидкости с одновременным снижением энергетических затрат и повысить их надежность. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к гидродинамическим системам для создания колебаний при протекании флюидов, в качестве которых могут быть газожидкостные смеси, жидкости, эмульсии и т.п., и может быть использовано в горнодобывающей, нефтегазодобывающей, химической промышленности, машиностроении, медицине и в других областях техники для интенсификации газожидкофазных процессов.

Известны способ генерирования колебаний жидкостного потока и устройство для его осуществления (Патент РФ №2087756, кл. F 15 B 21/12, опубл. в Б.И. №23, 97 г.). Способ состоит в том, что жидкость подают под избыточным давлением и разделяют на основной и дополнительный автономные потоки. С помощью каналов осуществляют закручивание только основного потока, а в дополнительном потоке частично стравливают давление и подают его на периферию жидкостного вихря с окружной составляющей скорости, меньшей окружной составляющей скорости основного потока.

Генератор колебаний для осуществления этого способа содержит корпус, установленную в нем проточную камеру с каналами закрутки и выходным соплом, напорную магистраль, сообщенную с каналами закрутки. Кроме того, он снабжен центральным телом, установленным в проточной камере с зазором относительно ее боковой стенки, и дополнительной магистралью с ограничителем расхода, подключенной через ограничитель расхода к напорной магистрали и сообщенной с соплом через зазор между центральным телом и стенкой проточной камеры.

Недостатками известных способа и устройства являются непроизводительные растраты энергии потока из-за постоянных потерь расхода основного закрученного потока жидкости через сопло и потерь давления на трение в проточной камере и зазоре между ее боковой стенкой и центральным телом, это снижает энергию закрученного потока и затрудняет оптимизацию генерирования колебаний, уменьшая амплитуду и ограничивая рабочий диапазон частот, что приводит к необходимости увеличения расхода или введения дополнительного потока жидкости. Для работы генератора требуются сравнительно большие расходы и давления нагнетания рабочей жидкости, а также относительно большие габариты устройства.

Указанные недостатки частично устранены в способе возбуждения колебаний потока жидкости и гидродинамическом генераторе колебаний по патенту РФ №2144440, кл. В 06 В 1/20, опубл. в Б.И. №2. Согласно этому изобретению жидкость под давлением закручивают, создают не менее двух противоположно направленных вихрей, образованных закрученными жидкостными потоками с одинаковым давлением подачи, периферия которых гидравлически связана с полостью с регулируемой упругостью.

Гидродинамический генератор содержит корпус, установленную в нем вихревую камеру с каналами закрутки и выходным соплом и напорную магистраль, сообщенную с каналами закрутки. В вихревой камере установлено центральное тело с зазором относительно ее боковой стенки. Генератор снабжен полостью с регулируемой упругостью, сообщенной через проходные отверстия с вихревой камерой и через упомянутый зазор - с выходным соплом, а каналы закрутки выполнены, по крайней мере, в двух плоскостях сечения вихревой камеры с взаимно противоположной ориентацией закрутки и соединены с напорной магистралью.

Недостатками известных способа и устройства являются недостаточно высокая эффективность преобразования гидравлической энергии в колебательную из-за непроизводительных потерь гидродинамической энергии, в том числе и на трение в зазоре, и на турбуленцию от взаимодействия противоположно вращающихся вихрей. Введение второго закрученного жидкостного потока позволяет обеспечивать больший расход жидкости в полость с регулируемой упругостью в единицу времени, но сохраняются постоянные потери расхода закрученного потока жидкости через сопло и, как следствие, это приводит к необходимости также поддерживать сравнительно большие расходы и давления нагнетания рабочей жидкости для поддержания рабочих амплитуд и диапазона частот генерируемых колебаний.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является техническое решение по а.с. №1257305, кл. F 15 B 21/12, опубл. в Б.И. №34, 86 г. Описанный в нем при работе гидродинамического генератора колебаний способ генерирования колебаний жидкостного потока состоит в том, что жидкость подают под избыточным давлением, закручивают, образуя жидкостный вихрь, и стравливают через сопло. Гидродинамический генератор для осуществления этого способа содержит последовательно соединенные между собой камеру закручивания с тангенциальными каналами для подвода рабочей жидкости, конфузорный участок, цилиндрическое сопло, рабочую камеру и патрубок с регулировочным вентилем.

Недостатком известного способа и генератора колебаний является узкий диапазон эксплуатации, что связано с особенностями реализуемого механизма колебаний и с необходимостью подбора длин составных элементов и их согласования для осуществления собственночастотного режима колебаний. Реализация способа и работа данного генератора возможна только в условиях затопленного истечения, то есть когда жидкость из сопла вытекает в пространство, заполненное жидкостью. Это обстоятельство существенно сужает область применения способа и усложняет конструкцию генератора, так как требует наличия на выходе специальной камеры, заполненной жидкостью.

Задачами, на решение которых направлены заявляемые способ и устройство, являются расширение функциональных и эксплуатационных возможностей при прежних расходах рабочей жидкости за счет увеличения амплитуды колебаний давления и расхода с одновременным снижением энергетических затрат, расширения рабочего диапазона частот и повышение надежности.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе генерирования колебаний потока жидкости, включающем подачу жидкости под избыточным давлением, ее закручивание с образованием жидкостного вихря и стравливание через сопло, согласно изобретению жидкость закручивают в радиально-щелевой камере и перед стравливанием направляют в магистраль, имеющую упругость.

Для увеличения накапливаемой энергии и расширения верхних значений рабочих частот в магистраль, имеющую упругость, может быть направлена дополнительная жидкость, причем она может быть направлена через, по крайней мере, еще одну дополнительную радиально-щелевую камеру закручивания. При этом дополнительная жидкость может быть направлена в магистраль, имеющую упругость, из объема жидкости, подаваемой под избыточным давлением, или из автономного источника под избыточным давлением.

Для эффективной передачи обрабатываемому объекту колебательной энергии стравливать жидкость через сопло можно в дополнительную магистраль, имеющую упругость.

Поставленная задача решается также тем, что в известном гидродинамическом генераторе колебаний, включающем напорную магистраль с рабочей жидкостью, камеру закручивания с торцами, каналами закрутки и соплом, согласно изобретению камера закручивания выполнена в виде радиально-щелевой и снабжена, по крайней мере, одним дополнительным проточным каналом, вход в который расположен на радиусе, большем радиуса сопла, при этом дополнительный проточный канал соединен с магистралью, имеющей упругость, а каналы закрутки и/или камера закручивания снабжены направляющими для возможности движения закрученного потока в сторону входа в дополнительный проточный канал.

Камера закручивания может быть выполнена в виде цилиндрической камеры, закрытой с торцов, при этом, по крайней мере, в одном из них выполнено сопло, а вход в дополнительный проточный канал выполнен в виде отверстия на другом торце или на внутренней боковой поверхности камеры закручивания.

Дополнительный проточный канал может быть выполнен с возможностью перемещения в камере закручивания вдоль ее радиуса для регулирования величины давления и расхода рабочей жидкости в магистрали, имеющей упругость, и, как следствие, амплитуды генерируемых колебаний.

Для увеличения расхода в магистраль, имеющую упругость, вход в дополнительный проточный канал на торце камеры закручивания может быть выполнен в виде кольца, ось которого совпадает с осью сопла и камеры закручивания, при этом торец со стороны сопла для эффективности стравливания может быть выполнен в виде конфузора, а другой торец - коническим для образования кольцевого конфузора с кольцевым входом в дополнительный проточный канал.

В напорной магистрали могут быть установлены клапан-реле и/или регулятор расхода для запуска генератора при заданном давлении и/или для поддержания верхнего порога давления нагнетания.

Для увеличения верхних значений рабочих частот при сохранении высоких значений амплитуд колебаний магистраль, имеющая упругость, снабжена, по крайней мере, одним дополнительным каналом питания рабочей жидкостью, гидравлически связанным через регулятор расхода с напорной магистралью.

Для увеличения накапливаемой и регулирования стравливаемой гидродинамической энергии в магистрали, имеющей упругость, целесообразно, чтобы дополнительный проточный канал был соединен с ней через сопло, по крайней мере, одной дополнительной проточной радиально - щелевой камерой закручивания, каналы закрутки которой гидравлически связаны с напорной магистралью, а при создании закрученных потоков в радиально-щелевых камерах с взаимно противоположным направлением происходит более резкое их разрушение и, как следствие, более интенсивное стравливание накопленной рабочей жидкости из магистрали, имеющей упругость.

Торцы камеры закручивания могут быть выполнены с возможностью вращения для уменьшения потерь энергии закрученного потока на трение при обтекании.

С целью уменьшения потерь на турбулентность в дополнительном проточном канале и более резкого разрушения закрученного потока при стравливании вход в дополнительный проточный канал на торце камеры закручивания может иметь направляющие для регулирования степени закрутки потока, выполненные в виде, например, шнека или аксиально-лопаточного завихрителя, расположенных осесимметрично камере закручивания.

Для оптимизации автоколебательного режима магистраль, имеющая упругость, гидравлически связана с соплом с помощью канала, выполненного на оси торца камеры закручивания и установленного в канале регулятора расхода. Магистраль, имеющая упругость, может быть выполнена в виде жесткой полой трубы, закрытой, по крайней мере, с одного конца, и снабженной терморегулятором упругости рабочей жидкости, например электродуговым преобразователем. Объем жесткой полой трубы может быть разделен эластичной оболочкой, при этом часть объема со стороны ее закрытого конца может быть заполнена упругой средой с регулируемой упругостью, например газом, а часть объема со стороны открытого конца - рабочей жидкостью. Кроме того, эластичная оболочка со стороны закрытого конца трубы может быть подпружинена, а объем между эластичной оболочкой и закрытым концом дополнительно, через регулятор расхода, может быть гидравлически связан с обрабатываемой средой.

Для уменьшения потерь давления стравливаемого потока рабочей жидкости сопло целесообразно снабдить диффузором.

Для согласования излучаемой колебательной мощности с обрабатываемой средой диффузор целесообразно снабдить трубным резонатором, на выходе которого установлен регулятор расхода и/или гидромониторные насадки.

В трубном резонаторе может быть установлена полость с регулируемой упругостью, например, в виде замкнутой с двух торцов жесткой перфорированной по всей длине трубы, внутри которой расположена заполненная газом эластичная оболочка.

В заявляемом изобретении реализуется механизм возбуждения автоколебаний, позволяющий получить новый технический результат, который заключается в том, что закручивание потока в радиально-щелевой камере закручивания с соплом позволяет создавать вихревой клапан, ограничивающий расход жидкости через сопло, и тем самым регулировать расход жидкости. Направление же закрученного потока в магистраль, имеющую упругость, обеспечивает уменьшение потерь закрученной жидкости через сопло и получение колебательной системы, состоящей из массы жидкости, протекающей по магистрали, и упругости в ней. Расположение входа дополнительного проточного канала на радиусе, большем радиуса сопла, позволяет регулировать величину давления и интенсивность накопления массы жидкости в колебательной системе, которая затем используется для разрушения вихревого клапана при стравливании через сопло.

Предложенная конструктивная реализация способа позволяет начинать работу генератора колебаний уже при низких перепадах давления и небольших расходах, расширяя тем самым рабочий диапазон частот и обеспечивая высокую амплитуду колебаний при снижении энергетических затрат.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 дана схема гидродинамического генератора колебаний при выполнении его по основной формуле, на фиг.2 - вариант его выполнения с дополнениями по факультативным признакам.

Поскольку заявленный способ реализуется при работе заявляемого гидродинамического генератора колебаний, то описание способа приведено при изложении раздела описания работы устройства.

Гидродинамический генератор колебаний содержит радиально-щелевую камеру закручивания 1 с торцами 2 и 3, одно (фиг.2) или два (фиг.1) сопла 4, каналы закрутки 5, подсоединенные к напорной магистрали 6. Камера закручивания 1 снабжена дополнительным проточным каналом 7 и входом 8 в него. Дополнительный проточный канал 7 соединен с магистралью 9, имеющей упругость 10. Камера закручивания 1 имеет направляющие 11, выполненные в виде ее боковой стенки, или каналы закрутки 5 совместно с направляющими 11, выполненные в виде шнека (фиг.2). Сопло 4 камеры закручивания может быть снабжено диффузором 12 и дополнительно трубным резонатором 13, на выходе которого установлены мониторные насадки 14. Дополнительный проточный канал 7 может быть соединен с магистралью 9, имеющей упругость 10, через сопло 15 дополнительной проточной радиально-щелевой камеры закручивания 16, каналы закрутки 17 которой гидравлически связаны с напорной магистралью 6. В напорной магистрали могут быть установлены клапан-реле и/или регулятор расхода 18.

Гидродинамический генератор колебаний работает следующим образом.

Для обеспечения рабочего амплитудно-частотного диапазона при заданном расходно-напорном режиме нагнетания рабочей жидкости регулируют упругость 10 в магистрали 9 и упругость в трубном резонаторе 13 при его установке. Для согласования режимов протекания рабочей жидкости через генератор колебаний выбирают по авторской компьютерной программе проходные сечения каналов закрутки, сопла, дополнительного проточного канала с его входом, регуляторов расхода, а также уровень давления, при котором срабатывает клапан-реле в напорной магистрали.

Рабочая жидкость из напорной магистрали 6 через каналы закрутки 5 попадает в радиально-щелевую камеру закручивания 1 для создания вихревого клапана. За счет большого гидравлического сопротивления, получаемого при закручивании потока, расход жидкости через сопло 4 ограничивается, а жидкость из закрученного потока с помощью направляющих, выполненных в камере закручивания или в каналах закрутки, и под действием центробежного давления попадает на вход 8 дополнительного проточного канала 7, обладающего, за счет расположения в камере закручивания, меньшим гидравлическим сопротивлением для протекания жидкости, чем через сопло 4. Далее жидкость из дополнительного проточного канала 7 поступает в магистраль 9, имеющую упругость 10, а при использовании дополнительной проточной радиально-щелевой камеры закручивания 16 - через ее сопло 15. Под действием избыточного нагнетаемого давления в магистрали, имеющей упругость, формируется колебательная система из массы жидкости, протекающей по магистрали, и упругости в ней, при этом массу колеблющейся жидкости используют для разрушения вихревого клапана при стравливании ее через сопло 4. В процессе стравливания жидкость из магистрали 9, подкручиваясь в дополнительной проточной радиально-щелевой камере закручивания 16, ее сопле 15 и в направляющих входа 8 в дополнительный проточный канал 7, приобретает вращение, направление которого противоположно вращению вихревого клапана, что способствует более быстрому его разрушению и стравливанию его объема жидкости через сопло 4.

Использование изобретения позволяет повысить амплитуду колебаний, расширить диапазон рабочих частот и область применения, обеспечить надежность и стабильность работы гидродинамического генератора колебаний даже при небольших давлениях нагнетания рабочей жидкости.

Гидродинамический генератор колебаний прошел промышленную проверку с положительным результатом в качестве источника виброволнового воздействия, устанавливаемого в нефтяных скважинах в эксплуатационном режиме или доставляемого на забой при ремонте скважин совместно с инжектирующими, клапанно-импульсными и пакерующими устройствами как в насосно-компрессорных, так в гибких трубах (колтюбинг), на трос-кабеле или скребковой проволоке.

1. Способ генерирования колебаний жидкостного потока, включающий подачу жидкости под избыточным давлением, ее закручивание с образованием жидкостного вихря и стравливание через сопло, отличающийся тем, что жидкость закручивают в радиально-щелевой камере и перед стравливанием направляют в магистраль, имеющую упругость.

2. Способ генерирования колебаний жидкостного потока по п.1, отличающийся тем, что в магистраль, имеющую упругость, направляют дополнительную жидкость.

3. Способ генерирования колебаний жидкостного потока по п.2, отличающийся тем, что дополнительную жидкость направляют через, по крайней мере, еще одну дополнительную радиально-щелевую камеру закручивания.

4. Способ генерирования колебаний жидкостного потока по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что жидкость стравливают в дополнительную магистраль, имеющую упругость.

5. Гидродинамический генератор колебаний, включающий напорную магистраль с рабочей жидкостью, камеру закручивания с торцами, каналами закрутки и соплом, отличающийся тем, что камера закручивания выполнена в виде радиально-щелевой и снабжена, по крайней мере, одним дополнительным проточным каналом, вход в который расположен на радиусе, большем радиуса сопла, при этом дополнительный проточный канал соединен с магистралью, имеющей упругость, а каналы закрутки и/или камера закручивания снабжены направляющими для возможности движения закрученного потока в сторону входа в дополнительный проточный канал.

6. Гидродинамический генератор колебаний по п.5, отличающийся тем, что камера закручивания выполнена в виде цилиндрической камеры, закрытой с торцов, при этом, по крайней мере, в одном из них выполнено сопло, а вход в дополнительный проточный канал выполнен в виде отверстия на другом торце или на внутренней боковой поверхности камеры закручивания.

7. Гидродинамический генератор колебаний по п.6, отличающийся тем, что вход в дополнительный проточный канал выполнен с возможностью перемещения в камере закручивания вдоль ее радиуса.

8. Гидродинамический генератор колебаний по п.6, отличающийся тем, что вход в дополнительный проточный канал на торце камеры закручивания выполнен в виде кольца, ось которого совпадает с осью сопла и камеры закручивания.

9. Гидродинамический генератор колебаний по п.8, отличающийся тем, что торец со стороны сопла выполнен в виде конфузора, а другой торец выполнен коническим для образования кольцевого конфузора с кольцевым входом в дополнительный проточный канал.

10. Гидродинамический генератор колебаний по любому из пп.5-9, отличающийся тем, что в напорной магистрали установлен клапан-реле и/или регулятор расхода.

11. Гидродинамический генератор колебаний по п.5, отличающийся тем, что магистраль, имеющая упругость, снабжена, по крайней мере, одним дополнительным каналом питания рабочей жидкостью, гидравлически связанным через регулятор расхода с напорной магистралью.

12. Гидродинамический генератор колебаний по любому из пп.5, 8, 9, 11, отличающийся тем, что дополнительный проточный канал соединен с магистралью, имеющей упругость, через сопло, по крайней мере, одной дополнительной проточной радиально-щелевой камерой закручивания, каналы закрутки которой гидравлически связаны с напорной магистралью.

13. Гидродинамический генератор колебаний по п.9, отличающийся тем, что торцы камеры закручивания выполнены с возможностью вращения.

14. Гидродинамический генератор колебаний по п.9, отличающийся тем, что вход в дополнительный проточный канал на торце камеры закручивания имеет направляющие для регулирования степени закрутки потока, выполненные в виде, например, шнека или аксиально-лопаточного завихрителя, расположенных осесимметрично камере закручивания.

15. Гидродинамический генератор колебаний по п.5, отличающийся тем, что магистраль, имеющая упругость, гидравлически связана с соплом с помощью канала, выполненного на оси торца камеры закручивания и установленного в канале регулятора расхода.

16. Гидродинамический генератор колебаний по п.5, отличающийся тем, что магистраль, имеющая упругость, выполнена в виде жесткой полой трубы, закрытой, по крайней мере, с одного конца и снабженной терморегулятором упругости рабочей жидкости, например электродуговым преобразователем.

17. Гидродинамический генератор колебаний по п.16, отличающийся тем, что объем жесткой полой трубы разделен эластичной оболочкой, при этом часть объема со стороны ее закрытого конца заполнена упругой средой с регулируемой упругостью, например газом, а часть объема со стороны открытого конца заполнена рабочей жидкостью.

18. Гидродинамический генератор колебаний по п.17, отличающийся тем, что эластичная оболочка со стороны закрытого конца трубы подпружинена, а объем между эластичной оболочкой и закрытым концом дополнительно через регулятор расхода гидравлически связан с обрабатываемой средой.

19. Гидродинамический генератор колебаний по п.5, отличающийся тем, что сопло снабжено диффузором.

20. Гидродинамический генератор колебаний по п.19, отличающийся тем, что диффузор снабжен трубным резонатором, на выходе которого установлен регулятор расхода и/или гидромониторные насадки.

21. Гидродинамический генератор колебаний по п.20, отличающийся тем, что в трубном резонаторе установлена полость с регулируемой упругостью, например, в виде замкнутой с двух торцов жесткой перфорированной по всей длине трубы, внутри которой расположена заполненная газом эластичная оболочка.