Способ создания пульсирующей жидкостной струи и устройство для его осуществления
Группа изобретений относится к технике создания пульсирующих жидкостных мониторов и устройств с высокоскоростными струями и может быть использовано в горнодобывающей промышленности, при добыче полезных ископаемых, размыве грунта. Технический результат заключается в повышении эффективности пульсирующей скоростной струи. Способ создания пульсирующей жидкостной струи заключается в том, что жидкость под давлением закручивают, создавая не менее двух противоположно направленных вихрей, образованных закрученными жидкостными потоками с одинаковым давлением подачи, периферия которых гидравлически связана с полостью с регулируемой упругостью, в струйное сопло под давлением подают дополнительную жидкость, формируя скоростную струю, и смешивают ее с закрученной жидкостью переменного расхода. Устройство для осуществления вышеуказанного способа содержит корпус 1 с вихревой камерой 5, каналы закрутки 3, выходное сопло 10, напорную магистраль 2, соединенную с каналами закрутки 3, и установленное в вихревой камере 5 с зазором 7 относительно боковой стенки центральное тело 8, снабженное полостью с регулируемой упругостью 6, сообщенной с вихревой камерой 5 и через упомянутый зазор 7 с выходным соплом 10, каналы закрутки 3 выполнены, по крайней мере, в двух плоскостях сечения вихревой камеры 5 с взаимно противоположной ориентацией закрутки и соединены с напорной магистралью 2, и снабжено струйным соплом 4 для создания скоростной струи постоянного расхода. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.
Устройство для создания пульсирующей жидкостной струи содержит трубопровод с нагнетаемой жидкостью, которая разделяется на две части. Одна из них поступает в отверстие или струйную форсунку и истекает в окружающее пространство с постоянной скоростью, соответствующей перепаду давления, а другая часть жидкости поступает в тангенциальные каналы и закручивается в камере закручивания. Камера закручивания одним торцом соединена с упругой полостью, а другим соединена с соплом.
В результате такого течения из сопла, соединенного с камерой закручивания, истекает пульсирующий жидкостной поток. Пульсирующий жидкостной поток смешивается со скоростной струей, образуя суммарную скоростную струю с переменным расходом по длине струи и переменным скоростным напором.
Изобретение относится к технике создания жидкостных мониторов и устройств с высокоскоростными струями и может быть использовано в различных областях техники:
при проведении различных гидроразмывных работ, в частности, при добыче полезных ископаемых:
при очистке различных поверхностей от грязи и отложений;
при использовании агрессивных жидкостей и смесей, содержащих твердые частицы (корунд), которые быстро изнашивают подвижные рабочие части мониторов;
для обработки водоносных и нефтяных скважин;
для интенсификации скважинной гидродобычи железных руд и других полезных ископаемых.
Известное виброволновое воздействие в сочетании с гидроразмывом способно существенно повысить выход руды и рентабельность скважинной гидродобычи железных руд и других полезных ископаемых. Предпосылки виброволнового воздействия с целью интенсификации процесса добычи заключаются в способности упругих колебаний осуществлять псевдоожижение твердых структурированных материалов, понижать прочность обводненных глиноподобных и гелевидных масс и плавунов [Дыбленко В.П., Камалов Р.Н. и др. "Повышение продуктивности и реанимации скважин с применением виброволнового воздействия", М.: Недра, 2000 г.].
Известен способ генерирования колебаний жидкостного потока, состоящий в том, что жидкость под давлением закручивают, формируя жидкостной вихрь, согласно изобретению создают не менее двух противоположно направленных вихрей, образованных закрученными жидкостными потоками с одинаковым давлением подачи, периферия которых гидравлически связана с полостью с регулируемой упругостью (Патент РФ №2144440)). Поставленная задача решается тем, что гидравлический генератор колебаний, содержащий корпус с вихревой камерой, каналы закрутки, выходное сопло, напорную магистраль, соединенную с каналами закрутки, и установленное в вихревой камере с зазором относительно боковой стенки центральное тело, согласно изобретению снабжен полостью с регулируемой упругостью, сообщенной 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.
Недостатки известного способа - у устройства низкая скорость, а следовательно, и низкий скоростной поток пульсирующей истекающей струи. Низкая скорость истекающего потока обусловлена потерями полной скорости внутри центробежной форсунки из-за смешения потоков с различной закруткой.
Задачей данного изобретения является повышение эффективности пульсирующей скоростной струи за счет сохранения ее скоростного напора.
Цель изобретения достигается тем, что в известном способе генерирования колебаний жидкостного потока, состоящем в том, что 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 регулируемой упругости, согласно изобретению дополнительную жидкость под давлением срабатывают в сопле, формируя скоростную струю, и смешивают с закрученной жидкостью переменного расхода.
Цель изобретения достигается также тем, что перед смешением закрученную жидкость переменного расхода преобразуют в осевую скоростную струю переменного расхода.
Цель изобретения достигается также тем, что дополнительную жидкость подают под давлением, отличным от давления жидкости переменного расхода.
Цель изобретения достигается также тем, что дополнительная жидкость имеет химические и физические свойства, отличные от свойств жидкости переменного расхода.
Цель изобретения достигается также тем, что дополнительная жидкость имеет в своем составе твердые или абразивные частицы.
Цель изобретения достигается также тем, что устройство для создания пульсирующей скоростной струи, содержащее корпус с вихревой камерой, каналы закрутки, выходное сопло, напорную магистраль, соединенную с каналами закрутки, и установленное в вихревой камере с зазором относительно боковой стенки центральное тело, снабженное полостью с регулируемой упругостью, сообщенной 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, согласно изобретению снабжено дополнительным соплом для создания скоростной струи постоянного расхода.
Цель изобретения достигается также тем, что согласно изобретению выходное сопло для закрученного потока соединено с каналами закрутки в виде плавных кривых, входная часть которых выполнена под углом к оси форсунки, а выходная часть соосна оси форсунки и соединена с отверстиями в виде цилиндрического или кольцевого струйного сопла.
В предложенном способе реализуется новый механизм создания пульсирующей скоростной струи. Благодаря автоколебательному течению закрученной жидкости в центробежной форсунке мы имеем на выходе из сопла поток жидкости с переменным значением расхода m1 и полной скоростью истечения W1. На выходе из сопла поток смешивается с дополнительным постоянным потоком, истекающим из сопла и имеющим значение расхода m2 и скорость истечения W2. После смешивания суммарная струя имеет осевую скорость, равную
где W1a - осевая составляющая скорости переменного потока.
Для увеличения значения осевой составляющей скорости переменного закрученного потока этот закрученный поток попадает в каналы, угол наклона которого к скорости переменного расхода W1. Эти каналы плавно изменяют направление полной скорости до направления осевой. Давление, с которым жидкость подается к центробежной форсунке и в дополнительное сопло со струйным течением жидкости, может быть разным и определяется эксплуатационными требованиями. Химические и физические свойства жидкости, подаваемой через центробежную форсунку и через струйную форсунку, могут быть различными и определяются требованиями эксплуатации устройства. При воздействии на поверхность скоростной струей возникает необходимость иметь в жидкостной струе твердые или абразивные частицы, которые значительно повышают эффективность воздействия. С этой целью целесообразно иметь жидкость с твердыми частицами только в струйной форсунке, что сильно повышает износостойкость центробежной форсунки.
На фиг.1 показана схема устройства для создания пульсирующей скоростной струи с вариантом подачи жидкости в оба потока с одинаковым напором.
На фиг.2 показан вариант выполнения спрямляющих каналов для уменьшения закрутки потока.
На фиг.2а показано сечение А-А вдоль спрямляющих каналов.
На фиг.3 показана схема устройства с вариантом раздельной подачи жидкости в оба потока.
Устройство для создания пульсирующей жидкостной струи содержит корпус 1 с напорной магистралью 2, которая сообщается с каналами закрутки 3 и струйным соплом 4. Каналы закрутки 3 сообщаются с полостью с регулируемой упругостью 6 через зазор 7, который образован центральным телом 8 и корпусом 9 центробежной форсунки. Корпус 9 центробежной форсунки заканчивается выходным соплом 10 центробежной форсунки. Для уменьшения закрутки жидкости служит насадок 11, в котором выполнены спрямляющие каналы 12. Далее жидкостной тракт продолжает сопло 13. В случае, когда жидкость в центробежную форсунку подается под давлением, отличным от давления в струйной форсунке, канал подачи жидкости 14 образован корпусом 1 и стенкой 15 корпуса форсунки, а истечение жидкости происходит через струйное сопло 4, образованное насадком 16 и соплом 10 центробежной форсунки.
Способ получения пульсирующей струи состоит в следующем. Жидкость подают под давлением по напорной магистрали 2, где она разделяется на два потока. Первый поток истекает из струйного сопла 4 с постоянной скоростью и расходом. Второй поток, попадая через каналы закрутки 3 в вихревую камеру 5, образует суммарный жидкостной вихрь, усиливающий флуктуации расхода в полости с регулируемой упругостью 6, что вызывает автоколебательный (пульсирующий) режим течения жидкости на выходе центробежной форсунки. Этот пульсирующий поток на выходе сопла 10 смешивается с высокоскоростной струей, истекающей из струйного сопла 4, в результате получают скоростную пульсирующую струю. С целью уменьшения закрутки и увеличения осевой скорости пульсирующего потока, истекающего из сопла 10, этот поток направляется в спрямляющие каналы 12, входные кромки которых располагаются под углом к оси форсунки, а выходные кромки направлены от форсунки.
В процессе эксплуатации возникают задачи, когда необходимо, чтобы скоростной поток жидкости, идущий через струйную форсунку, был иным, чем скоростной поток, идущий через центробежную. Для этой цели жидкость подают по двум различным каналам 2 и 14 и под различным напором.
Также возможно подавать по каналам 2 и 14 различные жидкости, отличающиеся друг от друга по химическим и физическим свойствам.
При использовании растворенных в жидкости твердых частиц для задачи обработки и очистки различных поверхностей целесообразно пустить эту жидкость только по каналу 14 и через струйное сопло 4, так как в этом случае износ поверхностей для струйной форсунки значительно меньше, чем в центробежной, в которой происходит автоколебательный процесс течения.
Устройство, создающее пульсирующую скоростную струю, может иметь различное конструктивное исполнение. Так, на фиг.1 показан вариант исполнения, когда жидкость, подающаяся под напором по каналу 2, разделяется на два потока, при этом в центре подается постоянный расход через струйное сопло 4, а снаружи находится центробежная форсунка с двумя поясами тангенциальных каналов, имеющая полость с регулируемой упругостью и создающая автоколебательный режим течения жидкости. В качестве центробежной форсунки, работающей в автоколебательном режиме, возможно взять центробежную форсунку, предложенную в патенте РФ №2087756.
На фиг.3 показан вариант исполнения устройства, когда пульсирующий поток генерируется центробежной форсункой, находящейся в центре устройства, а постоянный расход подается внешней форсункой.
На фиг.2 показан вариант исполнения спрямляющих каналов для увеличения осевой скорости. Закрученная жидкость, истекающая из сопла 10, имеет суммарную скорость, направленную под углом к оси форсунки. Под таким углом направлена входная часть спрямляющих каналов. В этом случае уменьшаются потери закрученного потока на входе в спрямляющие каналы. Спрямляющие каналы имеют плавную кривизну в направлении оси, при этом поток плавно изменяет свое направление в сторону осевого. На выходе спрямляющих каналов жидкостной поток имеет направление скорости, параллельное оси форсунки.
1. Способ создания пульсирующей жидкостной струи, состоящий в том, что 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, отличающийся тем, что дополнительную жидкость под давлением подают в струйное сопло, формируя скоростную струю, и смешивают с закрученной жидкостью переменного расхода.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед смешением закрученную жидкость переменного расхода преобразуют в осевую скоростную струю.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительную жидкость подают под давлением, отличным от давления жидкости переменного расхода.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что дополнительная жидкость имеет химические и физические свойства, отличные от свойств жидкости переменного расхода.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что дополнительная жидкость имеет в своем составе твердые или абразивные частицы.
6. Устройство для создания пульсирующей скоростной струи, содержащее корпус с вихревой камерой, каналы закрутки, выходное сопло, напорную магистраль, соединенную с каналами закрутки, и установленное в вихревой камере с зазором относительно боковой стенки центральное тело, снабженное полостью с регулируемой упругостью, сообщенной 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, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным соплом для создания скоростной струи постоянного расхода.
7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что выходное сопло для закрученного потока соединено с каналами в виде плавных кривых, входная часть которых выполнена под углом к оси форсунки, а выходная часть соосна оси форсунки и соединена с отверстиями в виде цилиндрического или кольцевого струйного сопла.
