СТРУЙНЫЙ НАСОС
JET PUMP

Изобретение относится к струйной технике и может найти применение в нефтегазодобывающей промышленности для генерации аэрированных жидкостей или пены.
Известен струйный аппарат (см. а.с. 909349 СССР. М кл. F04F 5/16; №2935524/25-06; заявл. 16.04.1980; опубл. 28.02.1982. Бюл. №8), содержащий приемную камеру с установленным в нем активным соплом, камеру управления, камеру смешения и диффузор. В камере управления установлен термочувствительный элемент, концы которого закреплены на сопле и стенке камеры управления. Последняя снабжена патрубками подвода и отвода теплоносителя.
Недостатки конструкции:
- сложность системы управления;
- низкая точность настройки струйного аппарата на оптимальный технологический режим, а именно изменение одной составляющей устройства - осевое перемещение активного сопла. Но точность настройки струйного аппарата зависит также от его диаметра, расстояния между соплом и входом в камеру смещения, длиной осевого канала диффузора и конфузора. Изменить эти параметры в процессе эксплуатации представляется достаточно сложным;
- рабочая жидкость подается в приемную камеру через активное сопло с подсосом пассивной среды, например газа, через боковой патрубок, что снижает коэффициент давление смеси на выходе из устройства. Это обусловлено тем, что взаимодействие рабочей жидкости с пассивной средой для ее компримирования может проходить только с внешней стороны по периметру струи, истекающей из активного сопла.
Известен водовоздушный (жидкостно-газовый) эжектор (см. "Струйные аппараты" / Е.Я. Соколов, Н.М. Зингер. - М.: Энергоатомиздат, 3-е изд., перераб., 1989. - С. 213-215). Рабочей средой служит вода, подаваемая под давлением к соплу, на выходе которого она приобретает большую скорость. Вытекающая из сопла в приемную камеру струя воды увлекает с собой воздух, поступающий через боковой подающий патрубок в камеру, после чего суммарный поток поступает в камеру смешения и диффузор, где и происходит повышение давления.
Известны также водовоздушные эжекторы (см. там же), у которых рабочая жидкость подается в камеру смешения через несколько рабочих сопел или одно сопло с несколькими отверстиями. Это приводит к увеличению поверхности контакта взаимодействующих сред, что приводит к некоторому увеличению коэффициента инжекции.
Известен жидкостный эжектор (см. «Машины и нефтяное оборудование». М.: ВНИИОЭНГ, 1983. - С. 5-6). Эжектор содержит входной и выходной патрубки с быстросъемными гайками, насадку для подсоединения к насосу подачи активной среды и компрессор для подачи пассивной среды, камеру смешения, диффузор и конфузор. Устройство подсоединяется одновременно к насосному агрегату и низконапорному компрессору. При подаче активной среды во входной патрубок и при истечении из насадки высокоскоростной струи рабочей жидкости происходит подсасывание газа и его взаимодействие с поверхностью истекающей струи рабочей жидкости, смешивание двух компонентов в камере смешения и перемещение смеси в диффузор и конфузор. При этом происходит аэрация рабочей жидкости с поддержанием рабочего давления на выходе эжектора.
Недостатки конструкции:
- конструкция эжектора предполагает его эффективное применение только в диапазоне параметров расхода рабочей жидкости и давления, расхода газообразного агента, конструктивных размеров насадки, камеры смешения, диффузора и конфузора. Это предопределяет получение на выходе из эжектора аэрированной жидкости с определенными параметрами. Т.е. эффективная работа эжектора возможна в ограниченном диапазоне без возможности изменения режима работы. Получение аэрированной жидкости при такой схеме обвязки, когда подача активной рабочей жидкости осуществляется по осевому каналу, является недостаточно эффективной.
Известен струйный насос (см. а.с. 1359499 СССР. М кл. F04F 5/10; №4086069/25-06; заявл. 09.07.1986; опубл. 15.12.1987. Бюл. №46), принятый авторами за прототип.
Устройство состоит из патрубка подвода пассивной среды, подсоединенного к приемной камере. Другой патрубок подвода пассивной среды расположен в осевом канале активного сопла с образованием кольцевого активного сопла и промежуточной камеры смешения. Патрубок снабжен продольными радиальными ребрами и со стенкой патрубка образуют каналы для подвода пассивной среды. Продольные ребра выполнены спиральными. Камера смешения гидравлически связана с диффузором.
Работа устройства
Активная среда при истечении из кольцевого активного сопла увлекает в промежуточную камеру смешения пассивную среду, поступающую по каналам, образованным радиальными ребрами. Смесь сред при истечении из активного сопла увлекает в камеру смешения пассивную среду из патрубка и далее смесь поступает в диффузор, где кинетическая энергия потока смеси активной и пассивной сред преобразуется в потенциальную энергию.
Отсутствует механизм регулирования потока активной и пассивной сред, получаемой смеси с заданными технологическими параметрами. Управлять процессом можно за счет изменения расхода и давления активной и пассивной сред, что является недостаточно эффективным в ряде случаев. Согласно теории работы струйных насосов коэффициент полезного действия (КПД) этих устройств находился в пределах 30-35% при оптимальных расчетных конструктивных параметрах насадки, камеры смешения, диффузора и так далее, т.е. область применения вышеуказанного устройства ограничена.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в следующем:
- возможность управления технологическим процессом компримирования газа, получения аэрированных жидкостей (пенных систем) за счет осевого перемещения насадки относительно камеры смешения;
- возможность регулирования скорости подачи активной среды для оптимизации работы устройства за счет изменения живого сечения щелевого зазора путем перемещения фигурной втулки в осевом канале подводящего патрубка активной среды;
- возможность повышения эффективности смешения и компримирования двухфазных аэрированных жидкостей за счет подачи пассивной среды по осевому каналу приемного патрубка к насадке;
- возможность подачи активной среды через подводящий патрубок и щелевой зазор в камеру смешения перпендикулярно к оси насадки с завихрением в тангенциальных каналах, с изменением радиуса закрутки от большего диаметра к меньшему и падением давления в центре потока;
- возможность подсоса пассивной среды (газа) в воронку, образованную вращающейся активной средой (жидкостью), и их смешения в камере смешения.
Технический результат достигается тем, что струйный насос содержит приемную камеру с насадкой, камеру смешения, патрубки подвода пассивной и активной среды, диффузор. Патрубок подвода пассивной среды снабжен продольными пазами и связан соединительной муфтой с корпусом камеры смешения с образованием приемной камеры и содержит в осевом канале ниппель с кольцевой канавкой. На внешней стороне патрубка подвода пассивной среды установлен стакан, снабженный пальцами, пропущенными через продольные пазы в патрубке подвода пассивной среды с возможностью размещения в кольцевой канавке ниппеля, на нижнем конце которого в насадкодержателе установлена насадка с возможностью вращения, поджатая гайкой. В теле муфты выполнен тангенциальный канал, а в осевом канале патрубка подвода активной среды установлена фигурная втулка с подводящим осевым каналом, коническим плоским наконечником и кольцевой проточкой на внешней стороне, снабженной кулачками с винтами привода.
При этом фигурная втулка установлена с возможностью ввода конического плоского наконечника в тангенциальный канал муфты с образованием щелевого зазора.
Конструкция устройства поясняется чертежами, где:
- на фигуре 1 показан общий вид устройства в разрезе;
- на фигуре 2 - вид сверху регулировочного устройства в патрубке подачи активной среды.
Струйный насос состоит из приемной камеры 1, образованной патрубком подвода пассивной среды 2, соединительной муфтой 3, связанной с корпусом 4, в осевом канале которого установлена камера смешения 5, охватываемая снизу телом диффузора 6, с присоединительной резьбой 7 под быстросъемное соединение для связи с потребителем.
В осевом канале 8 патрубка подвода пассивной среды 2 установлен с возможностью осевого перемещения ниппель 9, связанный с насадкодержателем 10, на нижнем конце которого установлена насадка 11 пассивной среды с коническим осевым каналом 12 и наружной криволинейной поверхностью 13.
Насадка 11 снабжена кольцевым выступом 14 и свободно входит в осевой канал насадкодержателя 10, где удерживается от выпадения накидной гайкой 15.
Насадка 11 размещается в приемной камере 1, которая через тангенциальный канал 16 в теле соединительной муфты 3 гидравлически связана с осевым каналом 17 патрубка 18 подвода активной среды. В осевом канале 17 патрубка 18 установлена фигурная втулка 19 с коническим плоским наконечником 20, входящим внутрь тангенциального канала 16 (см. фиг.2) с образованием щелевого зазора 21. Внутри фигурной втулки 19 выполнен подводящий осевой канал 22, гидравлически соединяющий осевой канал 17 патрубка 18 со щелевым зазором 21.
На внешней стороне фигурной втулки 19 выполнены кольцевые проточки 23 для установки уплотнительных колец 24 и кольцевая проточка 25, в которой размещаются кулачки 26, снабженные винтами 27 для ограниченного осевого перемещения фигурной втулки 19 в осевом канале 17 патрубка 18.
В теле патрубка 2 для подвода пассивной среды выполнены два продольных паза 28, в которые введены пальцы 29, жестко связанные с телом стакана 30, охватывающим тело патрубка 2 подвода пассивной среды, и связанный с ним резьбовым соединением.
Насадкодержатель 10 связан резьбой с ниппелем 9, снабженным на внешней стороне кольцевой канавкой 31, в которую свободно введены концы пальцев 29.
Кольцевой зазор между соединительной муфтой 3 и наружной поверхностью патрубка 2 для подвода пассивной среды герметизирован уплотнительным кольцом 32. Кольцевой зазор между наружной поверхностью камеры смешения 5 и корпусом 4 перекрыт уплотнительным кольцом 33. Зазор между камерой смешения 5 и диффузором 6 перекрыт уплотнительным кольцом 34.
Струйный насос работает следующим образом.
Патрубок 2 подвода пассивной среды через быстросъемное соединение связывается с выкидной линией компрессора. Патрубок 18 подвода активной среды подсоединяется к насосному агрегату.
Активная среда подается в осевой канал 17 патрубка 18, откуда по подводящему каналу 22 втулки 19 подается по щелевому зазору 21 в тангенциальный канал 16 с выходом внутрь приемной камеры 1. При этом происходит закручивание потока, который по криволинейной поверхности 13 насадки 11 вводится в осевой канал камеры смешения 5 с изменением радиуса закрутки потока на меньший. Поскольку насадка 11 установлена в насадкодержателе 10 свободно, то насадка 11 также может вращаться за счет взаимодействия с потоком. Согласно уравнению неразрывности потока при его закручивании с переходом на меньший радиус закрутки происходит увеличение его скорости со снижением давления в центре. Поток пассивной среды по коническому осевому каналу 12 насадки 11 втягивается в приемную камеру 1 и взаимодействует с активной средой, которая охватывает струю газа и сжимает ее.
По мере перемещения смеси пассивной и активной сред происходит их смешивание с приобретением необходимой кинетической энергии и последующим ее преобразованием в потенциальную энергию давления при проходе через диффузор 7 с дальнейшей подачей смеси потребителю.
Для оптимизации режима работы струйного насоса предусмотрено изменение расхода и скорости активной среды. Это достигается тем, что за счет передачи крутящего момента через винты 27 на кулачки 26, размещенные внутри кольцевой проточки 25 фигурной втулки 19, производится перемещение фигурной втулки 19 в осевом направлении. Тем самым конический плоский наконечник 20 вводится или выводится из тангенциального канала 16 с изменением сечения щелевого зазора 21, а значит и скорости потока активной среды, подаваемой внутрь приемной камеры 1.
Вращением стакана 30 относительно тела патрубка 2 при взаимодействии пальцев 29 с телом ниппеля 9 по кольцевой канавке 31 осуществляют осевое перемещение ниппеля 9 вместе с насадкодержателем 10 и насадкой 11 внутри приемной камеры 1 с изменением расстояния между насадкой 11 и камерой смешения 5. При этом меняется режим работы струйного насоса.
Такая настройка на оптимальный технологический режим работы струйного насоса может производиться непосредственно в процессе работы, остановки процесса и демонтажа устройства с места установки для перенастройки и изменения режима работы не требуется.