УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА

Область применения
Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано при измерении дебита скважин. Расходомеры, предназначенные для измерения жидкой фазы продукции скважин, как правило, имеют весьма ограниченный диапазон расхода, при котором обеспечивается высокая точность измерения. Для обеспечения такого диапазона расхода на линию расходомера устанавливают настоящее (или: предлагаемое) изделие, которое позволяет накапливать замеряемую жидкость, и пропускать ее со скоростью, соответствующей диапазону расхода конкретного расходомера.
Уровень техники
Существующие изделия такого назначения имеют определенные недостатки: большое число трущихся (быстроизнашивающихся) деталей, что приводит «зависанию» регулятора (то есть регулятор остается в полуоткрытом состоянии). Из-за быстрого износа уплотнительных элементов и износа трущихся деталей происходит «зависание» или утечка замеряемой среды.
Известен магнитоуправляемый клапан, содержащий седло, якорь с золотником, размещенный в разделительной трубке, выполненный из магнитомягкого материала, и постоянный магнит, размещенный между двумя дисками из магнитомягкого материала, неподвижно установленными на разделительной трубке, и заключенный в обойму из магнитомягкого материала, выполненную с возможностью осевого перемещения (SU, авторское свидетельство №406483 от 25.02.72, F16K 31/08).
Недостатком известного магнитоуправляемого клапана является невозможность регулирования величин: усилия пружины и магнитного потока; с целью настройки магнитоуправляемого клапана на заранее заданный перепад давления рабочей среды на запорном органе клапана, что сужает область применения клапана по перепаду давления. Известен клапан, содержащий корпус, подпружиненный запорный орган со штоком, седло, дроссель, пружину, снабженный шайбой из магнитного материала, установленной на штоке и расположенной между двумя кольцевыми магнитами, размещенными в двух магнитопроводах, жестко прикрепленных к корпусу, и поочередно взаимодействующими с шайбой в ее крайних положениях при ее перемещении со штоком, при этом дроссель в виде дросселирующего диска установлен в проходном сечении седла клапана и жестко закреплен на запорном органе (RU, патент №2199662, С2 на изобретение от 29.05.2001 г., Е21В 47/10).
Недостатком известного клапана является трудность регулирования величин: усилия пружины и удерживающей магнитной силы магнитной цепи, образованной из кольцевого магнита, магнитопровода и шайбы; с целью настройки клапана на заранее заданные величины перепада давления рабочей среды на клапане в моменты открытия и закрытия клапана, что сужает область применения клапана по перепаду давления. Наиболее близким аналогом является клапан магниторегулирумый (КМР), варианты (RU, патент №2307279). Клапан магниторегулируемый содержит корпус, подпружиненный запорный орган со штоком, седло, шайбу из магнитного материала на штоке, два кольцевых магнита, одноступенчатый дроссель в виде дросселирующего диска. Одноступенчатый дроссель установлен в проходном сечении патрубка седла и жестко скреплен с запорным органом. Корпус состоит из основания с перегородкой, в котором закреплено седло, первой втулки с жестко закрепленным в ней магнитопроводом и ввернутой на резьбе в основание, второй втулки с жестко закрепленным в ней магнитопроводом, ввернутой на резьбе в первую втулку, стакана с винтовым устройством для регулирования предварительного усилия сжатия пружины, нагружающей запорный орган, ввернутого на резьбе во вторую втулку. Первая и вторая втулки и стакан установлены с возможностью перемещения по резьбе для регулирования осевых зазоров между шайбой, в ее крайних положениях, и магнитопроводами, при этом перемещение шайбы, жестко закрепленной на штоке, от одного крайнего положения до другого ограничено в одном направлении упором запорного органа о седло, в другом - упором буртика штока о перегородку основания корпуса.
Данное устройство сложно в изготовлении, содержит множество трущихся пар, ненадежно в работе.
Все вышеназванные устройства подпружинены обычной цилиндрической пружиной, у которой сила воздействия на шток растет по мере открытия клапана (по закону Гука), а этот факт ухудшает «релейность» работы устройства. Во всех вышеназванных устройствах для обеспечения «релейности» работы использован дроссель большой площади, который сильно уменьшает пропускную способность устройства в открытом состоянии, что также ограничивает их область применения.
Целью полезной модели является сведение к минимуму вышеназванных недостатков, увеличению надежности, стабильности в работе.
Технический результат: обеспечивается оптимальная для расходомера скорость потока жидкости. Кроме того, устройство отличается простотой изготовления конструкции, содержит малое число деталей, трущихся пар. Обеспечивается увеличение надежности, стабильности в работе.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показано состояние устройства регулирования расхода жидкости или газа в закрытом состоянии, где 1 - корпус, 2 - седло, 3 - дроссель, 4 - запорный орган с уплотнителем, 5 - шток, 6 - магнит в магнитопроводе, 7 - диск из магнитомягкого материала, 8 - регулирововочный винт, 9 - фасонные пружины.
На Фиг.2 показано состояние устройства регулирования расхода жидкости или газа в открытом состоянии.
На Фиг.3 показан вариант замены фасонных пружин на систему магнитов, работающих в режиме отталкивания.
Осуществление полезной модели
Заявленный технический результат достигается за счет того, что (см. Фиг.1, Фиг.2) устройство регулирования расхода жидкости или газа, состоящее из корпуса (1) с седлом (2) для запирающего элемента и кольцевого магнита в магнитопроводе (6), жестко закрепленном к корпусу (1); штока (5), к которому жестко закреплены запирающий элемент с уплотнением (4), диска из магнитомягкого материала (7), дросселя (3), который находится на пути потока при открытом состоянии, отличающееся тем, что содержит набор фасонных пружин (9), которые одними концами упираются о диск из магнитомягкого материала (7), оказывая давление на шток (5), а другими - о внутреннюю цилиндрическую поверхность корпуса (1), либо вместо фасонных пружин содержит систему магнитов, обеспечивающих аналогичное силовое воздействие на шток. Фасонные пружины могут быть расположены равномерно по окружности радиально.
Каждое звено фасонной пружины (9) выполнено с возможностью качаться относительно (вокруг) своих концов так, что выполняет одновременно функцию рычага на шарнирах. Регулировочный винт из магнитотвердой стали может быть выполнен намагниченным. Это обеспечит более надежную фиксацию в открытом состоянии. Фасонная пружина (9) может быть выполнена так, что ее внутренние концы звеньев соединены между собой (сделаны из цельной жести).
Также фасонная пружина может быть выполнена из упругого прута (т.е. круглого сечения). Благодаря наличию дросселя (3) мощный поток удерживает клапан в открытом состоянии. Шток (5) связывает подвижные детали. Магнит (6) удерживает клапан в закрытом состоянии до определенного давления. Регулировочный винт (8) ограничивает ход штока (5) сверху, чтобы не перескочить в положение неустойчивого равновесия пружин. Фасонные пружины (9) представляют собой рычаги, которые в рабочем диапазоне работают как пружина с «отрицательной» характеристикой - чем сильнее перемещаешь шток снизу вверх, тем меньше становится сопротивление пружин. Кроме того, пружины обеспечивают центровку верхнего конца штока, тем самым исключается еще одна трущаяся пара, получается движение без трения. Любое трение способствует "зависанию", то есть устройство остается в полуоткрытом состоянии.
Все это в целом обеспечивает также малое число деталей, трущихся пар. Благодаря использованию фасонной пружины отпадает необходимость фиксировать вторым магнитом открытое состояние устройства регулирования расхода жидкости или газа, отпадает необходимость центровать верхний конец штока, уменьшается количество трущихся деталей (увеличивается ресурс работы), исключается «зависание» в полуоткрытом состоянии, уменьшается материалоемкость.
Таким образом, в целом обеспечивается увеличение надежности, стабильности в работе. Шток с закрепленными к нему деталями имеет возможность перемещаться в осевом направлении: движение вниз ограничено запорным элементом и диском из магнитного материала, который упирается о неподвижный относительно корпуса магнит. Движение вверх ограничено регулировочным винтом.
Отличительным признаком устройства регулирования расхода жидкости или газа является набор фасонных пружин, расположенных равномерно по окружности радиально, которые одними концами упираются об шток, а другими - о внутреннюю цилиндрическую поверхность корпуса. Каждое звено фасонной пружины имеет возможность качаться относительно (вокруг) своих концов, тем самым выполняет одновременно функцию рычага на шарнирах. Этот же набор пружин удерживает верхний конец штока в геометрической оси цилиндрической части корпуса, (то есть в центре), тем самым отпадает необходимость центровки штока в корпусе, значит, отсутствует трущаяся пара.
Таким образом, фасонные пружины "качаются" относительно своих концов и одновременно работают как рычаг. Благодаря этому вертикальная составляющая силы упругости уменьшается по мере движения штока вверх, выполняя как бы функцию пружины с «отрицательной» характеристикой.
В состоянии устройства регулирования расхода жидкости или газа, когда клапан закрыт (см. Фиг.1), сила упругости каждого элемента фасонной пружины направлена от одной точки опоры (от одного конца) к другой (к другому концу). Если разложить силу упругости на вертикальную и горизонтальную составляющие, то вертикальные составляющие «толкают» шток с навесными деталями вниз, а горизонтальные - удерживают шток в центре корпуса.
Рассмотрим другое состояние устройства регулирования расхода жидкости или газа, когда клапан открыт (см. Фиг.2). Как видно из чертежа, при перемещении штока вверх элементы фасонной пружины немного сжались, при этом сила упругости увеличилась, но при этом вертикальная составляющая уменьшилась. В этом заключается основной принцип работы устройства, отличающий его от прототипов. Благодаря такому свойству этой фасонной пружины улучшается «релейность» работы устройства регулирования расхода жидкости или газа.
Подходящая (оптимальная) для расходомера скорость потока жидкости достигается путем циклического открывания и запирания потока замеряемой жидкости.
Устройство должно работать релейно, то есть у него должно быть два устойчивых состояния: "открыто" и "закрыто". Именно пружина с «отрицательной» характеристикой обеспечивает хорошую релейность.
Основы релейности работы устройства состоят в следующем.
Задача устройства регулирования расхода жидкости или газа - скачком открыться при заданном напоре, скачком закрыться при заданном уменьшенном значении напора.
Рассмотрим силы, которые действуют на подвижные детали устройства регулирования расхода жидкости или газа (т.е. на шток с прикрепленными к нему деталями), и как они меняются в процессе движения штока «вверх» и «вниз».
Сила притяжения к магниту в нижнем положении штока максимальна, после отрыва магнитного диска от магнита резко уменьшается практически до нуля. Эта сила отрицательна.
Силы трения всегда направлены против направления движения, они достаточно малы.
При движении штока вверх силы трения отрицательны, а при движении вниз - положительны.
Сила давления напора на запирающий элемент (клапан) при закрытом клапане растет по мере роста перепада давления. Когда значение этой силы начинает превосходить сумму противодействующих сил (сила магнита, вертикальные составляющие сил упругости, силы трения), шток начинает двигаться вверх. Во время открытия клапана сила давления резко уменьшается. При этом начинается движение регулируемой среды и появляется сила динамического давления потока на дроссель. Далее, по мере открывания клапана, эта сила заметно уменьшается. При дальнейшем открывании поток усиливается, эту силу заменяет сила динамического давления потока на дроссель.
Процесс открывания происходит очень быстро, затем происходит слив накопленной жидкости, при этом напор постепенно уменьшается, уменьшается сила динамического давления. Когда эта сила становится меньше суммы сил, направленных вниз (незначительная сила магнита, силы пружин, силы трения), шток начинает движение вниз.
Шток опустился, клапан закрыт - начинается накопление жидкости, напор растет - цикл повторяется.
В процессе движения штока вниз модуль равнодействующей сил заметно уменьшается. При неблагоприятных обстоятельствах (например, если сила трения велика) клапан может «зависать» в этой точке, то есть может остаться в «полузакрытом» положении.
Принцип работы устройства
Устройство начинает свою работу с закрытого состояние - поток жидкости перекрыт (см. Фиг.1). По мере накопления жидкости (емкость для накопления жидкости находится до устройства регулирования расхода жидкости или газа), начинает расти давление, которое давит на запорный орган (4) устройства регулирования расхода жидкости или газа, но он остается в закрытом состоянии, так как силе давления противодействуют вертикальные составляющие сил упругости и удерживающая сила магнита (6). По мере роста давления сила давления начинает превышать сумму этих сил, и шток (5), отрывая от магнита диск (7) из магнитомягкого материала, устремляется вверх. По мере перемещения вертикальная составляющая сил уменьшается, но и запорный орган (4) приоткрывается - жидкость устремляется на выход. При этом уменьшается сила давления потока на запорный орган. Зато быстрый поток жидкости создает силу динамического давления на дроссель (3). Благодаря этой силе устройство регулирования расхода жидкости или газа остается в открытом состоянии. По мере ухода жидкости скорость потока уменьшается, значит, уменьшается сила динамического давления потока. Под действием вертикальной составляющей сил упругости шток (5) начинает перемещаться вниз, при этом сила вертикального давления резко увеличивается, устройство регулирования расхода жидкости или газа уверенно закрывается, диск (7) из магнитомягкого материала прилипает к магниту (6) - начинается набор жидкости для следующего цикла работы.
Как вариант исполнения, фасонные пружины можно заменить системой магнитов, работающих в режиме отталкивания, и оказывающих аналогичное силовое воздействие. Такой результат можно получить, например, парой радиально-намагниченных втулок с разной магнитной полярностью (см. пример на Фиг.3). Наружная магнитная втулка жестко крепится к корпусу, а внутренняя - к штоку. На Фиг.3 слева показано состояние штока при закрытом клапане, когда отталкивающее действие магнитов близко к максимуму. На Фиг.3 справа - верхнее положение штока (клапан «открыт»), отталкивающая сила магнитов близка к нулю. При дальнейшем перемещении штока вверх наступает состояние неустойчивого равновесия магнитной системы, с помощью регулировочного винта устанавливается необходимое значение силы отталкивания в открытом состоянии клапана. Эти же магниты обеспечивают центровку штока относительно цилиндрического корпуса.
Возможно использование иных магнитных систем с аналогичным силовым воздействием.