Устройство для управления потоком рабочего агента
DEVICE FOR CONTROLLING THE FLOW OF THE WORKING AGENT

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве устройства для управления потоком рабочего агента, перекачиваемого через трубопровод, в частности через устьевую фонтанную арматуру нефтегазовой скважины.
Известно устройство для регулировки расходом жидкости, описанное в (RU 2246652 С1, МПК F16K 3/06, F16K 27/04, опубл. 20.02.2015), содержащее дисковый шибер с зубчатым сектором, взаимодействующим с приводной шестерней, причем зубчатый сектор на дисковом шибере выполнен замкнутым, дисковый шибер имеет не менее двух проходных отверстий разного диаметра, оси которых расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, равном 0.85…1.2 диаметра наибольшего проходного отверстия.
Недостатком известного устройства является то, что его конструкция не обеспечивает плавную регулировку расхода жидкости, перекачиваемой через устьевую фонтанную арматуру нефтегазовой скважины.
Наиболее близким к заявленному является штуцерное устройство для управления потоком рабочего агента, описанное в (RU 2714031 С1, МПК F16K 3/03, F16K 3/30, опубл. 11.02.2020), установленное в трубопроводе, содержащее привод и корпус с круглым проходным сечением, внутри которого размещен механизм диафрагмы. Механизм диаграммы содержит кулачковое кольцо, базовое кольцо и сборку лепестков, содержащую множество промежуточных колец, соединенных друг с другом посредством опорных стержней, множество скользящих стержней, и множество лепестков, выполненных в виде дугообразных пластин, ориентированных по окружности в плоскости и ступенчато по винтовой спирали в объеме проходного сечения штуцерного устройства, а также необходимые кинематические связи между ними.
В описываемом устройстве привод приводит во вращение шестерню, установленную на валу привода, которая посредством зубчатого зацепления вращает кулачковое кольцо. При вращении кулачкового кольца в зависимости от направления его вращения скользящие стержни перемещаются в его соответствующих пазах на кулачковом кольце. Дугообразные пластины, вращающиеся на опорных стрежнях, плавно перемещаться на скользящих стержнях либо к центру проходного сечения заявленного устройства, либо, наоборот, от его центра.
Лепестки механизма диафрагмы подвергаются сильному и быстрому износу, а значит, требуют частой замены при интенсивном воздействии рабочего агента с механическими примесями. Сложная форма лепестков существенно повышает их себестоимость. Кроме того, относительно небольшая толщина лепестков снижает ресурс их работы в условиях абразивного износа. Перечисленные недостатки существенным образом влияют на эксплуатационные расходы и поддержание штуцерного устройства в работоспособном состоянии, что является недостатком прототипа.
Технической задачей, решаемой изобретением, является повышение технологичности и надежности конструкции устройства за счет упрощения формы и повышения толщины лепестков диафрагмы с учетом обеспечения плавной регулировки диаметра его проходного сечения и одновременного центрирования потока рабочего агента, перекачиваемого через трубопровод, в частности через устьевую фонтанную арматуру нефтегазовой скважины.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для управления потоком рабочего агента, содержащем привод и корпус с круглым проходным сечением, внутри которого, в объеме проходного сечения, размещен механизм диафрагмы, содержащий кулачковое кольцо с множеством пазов, сборку из множества лепестков, ориентированных по окружности в плоскости проходного сечения устройства, при этом каждый лепесток установлен на соответствующем опорном стрежне, и с возможностью смещения, причем количество пазов на кулачковом кольце равно количеству лепестков, при этом в открытом состоянии устройства диаметр его проходного сечения определен внутренним диаметром кулачкового кольца, согласно изобретению, кулачковое кольцо закреплено неподвижно между двумя манжетами в виде колец, в свою очередь зажатых между двумя цилиндрическими полукорпусами устройства с круглыми проходными сечениями, внутри одного из которых размещается внутренний корпус механизма диафрагмы, имеющий в центре сквозное отверстие, а в его радиальные отверстия вмонтированы с возможностью поворота конические шестерни, в гнездо одной из которых, являющейся ведущей, вставляется вал одним из своих торцов, а другим торцом через герметичное уплотнение, расположенное коаксиально в цилиндрическом кронштейне, упирается в ответный разъем привода, причем каждая коническая шестерня своими зубьями находится в зацеплении с зубьями ведомого зубчатого венца, имеющего в центре сквозное отверстие, с противоположного торца, прижимаемого к внутреннему корпусу механизма диафрагмы конусным диском с возможностью вращения вокруг своего центрального отверстия и имеющего на данном торце нарезанную архимедову спираль, в выемки которой входят соответствующие пазы кулачков с радиусом кривизны, равным или близким наибольшему радиусу кривизны архимедовой спирали, причем на боковых поверхностях каждого кулачка, параллельных пазам кулачкового кольца, имеются проточки, которыми они вставляются в радиальные пазы свободно вращающегося вдоль оси симметрии стабилизационного диска, который имеет центральное отверстие, вдоль которого с обоих торцов имеются утолщения для крепления манжет, причем одним торцом стабилизационный диск через манжету упирается в вышеупомянутый внутренний корпус механизма диафрагмы, а другим концом через другую манжету упирается в утолщение вокруг отверстия вышеупомянутого кулачкового кольца, с возможностью продольного перемещения посредством скольжения вдоль пазов которого размещаются направляющие лыжи, жестко закрепленные на треугольных пластинах, в свою очередь фиксируемых на одном из торцов лепестков в виде призм с треугольным основанием, все вместе представляющих собой сборку лепестков, в которой лепестки примыкают вплотную друг к другу и имеют возможность продольного перемещения со скольжением друг относительно друга, причем в каждом из лепестков имеется отверстие, внутри которого с возможностью поворота коаксиально размещается опорный стержень, неподвижно закрепленный на каждом из вышеупомянутых кулачков, и обеспечены средства для одновременного поворачивания опорных стержней вокруг лепестков во время радиального перемещения данных стержней посредством скольжения в пазах кулачкового кольца через направляющие лыжи между закрытым положением, в котором лепестки ориентированы радиально для перекрытия проходного сечения, и открытым положением, в котором лепестки размещены на периферии от проходного сечения, кроме того, вышеупомянутая сборка лепестков свободным концом упирается в манжету, закрепленную внутри другого полукорпуса устройства, причем оба полукорпуса имеют множество монтажных отверстий, расположенных на одинаковом расстоянии от центрального отверстия, располагающегося на оси симметрии, и на равных расстояниях друг от друга.
Сущность заявленного устройства иллюстрируется графическими материалами, на которых:
на фиг. 1 схематично изображено заявленное устройство в поперечном разрезе;
на фиг. 2 изображено сбоку в разобранном виде заявленное устройство;
на фиг. 3 - спереди по направлению к перекачиваемому потоку рабочего агента внешний вид заявленного устройства в полуразобранном виде в положении «закрыто»;
на фиг. 4 - то же, что и на фиг. 3, но в положении «открыто».
Устройство для управления потоком рабочего агента содержит привод 1 и два цилиндрических полукорпуса 2, 3 с круглыми проходными сечениями (см. фиг. 1). Между полукорпусами 2, 3 зажимается кулачковое кольцо 4, с обеих сторон закрытое резиновыми манжетами 5, 6. Пазы кулачкового кольца 4, могут быть расположены, например, под углом 22° к плоскости, параллельной плоскости основания цилиндрического кронштейна привода (см. фиг. 3). Внутри полукорпуса 2 размещается внутренний корпус 7 механизма диафрагмы, имеющий в центре сквозное отверстие, а в его радиальные отверстия вмонтированы с возможностью поворота конические шестерни 8. В гнездо одной из конических шестерен 8, являющейся ведущей, вставляется вал 9 одним из своих торцов, а другим торцом через герметичное уплотнение 10, расположенное коаксиально в цилиндрическом кронштейне 11, упирается в ответный разъем привода 1. Причем каждая коническая шестерня 8 своими зубьями находится в зацеплении с зубьями ведомого зубчатого венца 12, имеющего в центре сквозное отверстие. Зубчатый венец 12 с противоположного торца прижимается к внутреннему корпусу 7 механизма диафрагмы конусным диском 13 с возможностью вращения вокруг своего центрального отверстия и имеющего на данном торце нарезанную архимедову спираль. В выемки архимедовой спирали зубчатого венца 12 входят соответствующие пазы кулачков 14 с радиусом кривизны, равным или близким наибольшему радиусу кривизны данной спирали. На боковых поверхностях каждого кулачка 14, параллельных пазам кулачкового кольца 4, имеются проточки, которыми кулачки 14 вставляются в радиальные пазы свободно вращающегося вдоль оси симметрии стабилизационного диска 15. Данный диск 15 имеет центральное отверстие, вдоль которого с обоих торцов имеются утолщения для крепления манжет 16, 17. Причем одним торцом стабилизационный диск 15 через манжету 17 упирается в вышеупомянутый внутренний корпус 7 механизма диафрагмы, а другим концом через другую манжету 16 упирается в утолщение вокруг отверстия вышеупомянутого кулачкового кольца 4.
Вдоль пазов кулачкового кольца 4 с возможностью продольного перемещения размещаются направляющие лыжи 18, жестко закрепленные на треугольных пластинах 19 с полукруглым основанием, в свою очередь фиксируемых на одном из торцов лепестков 20. Лепестки 20 имеют одинаковый размер и представляют собой призмы с треугольным основанием, все вместе представляющие собой сборку лепестков 21 (см. фиг. 2), в которой лепестки 20 имеют возможность продольного перемещения друг относительно друга в одной плоскости. В каждом из лепестков 20 имеется отверстие, внутри которого с возможностью поворота коаксиально размещается опорный стержень 22, неподвижно закрепленный на каждом из вышеупомянутых кулачков 14. Обеспечены средства для одновременного поворачивания опорных стержней 22 вокруг лепестков 20 во время радиального перемещения данных стержней 22 посредством скольжения в пазах кулачкового кольца 4 через направляющие лыжи 18 между закрытым положением, в котором лепестки 20 ориентированы радиально для перекрытия проходного сечения, и открытым положением, в котором лепестки 20 размещены на периферии от проходного сечения. Количество лепестков 20 равно количеству пазов на кулачковом кольце 4. Вышеупомянутая сборка лепестков 21 свободным концом упирается в манжету, закрепленную внутри другого полукорпуса 3 устройства и фиксируется оболочкой из герметичного, гибкого и эластичного материала 23. Полукорпусы 2 и 3 имеют множество монтажных отверстий, расположенных на одинаковом расстоянии от центрального отверстия, располагающегося на оси симметрии, и на равных расстояниях друг от друга.
Полукорпус 2 крепится к внутреннему корпусу 7 механизма диафрагмы с помощью винтов 24, а полукорпус 3 соединяется с корпусом 2 через кулачковое кольцо 4 и манжеты 5 и 6 с помощью болтов 25. Для повышения герметичности работы зубчатых шестерен 8 и зубчатого венца 12 внутри корпуса 7 механизма диафрагмы, контакт сборки 21 лепестков 20 с внутренней частью полукорпуса 3 осуществляется через сальниковое уплотнение 26. Кроме того, для сохранения работоспособности устройства даже в случае нарушения герметичности, внутри полостей а и b набивается влагостойкая и морозостойкая смазка. Для фиксации цилиндрического кронштейна 11 привода используется винт 27. С целью обеспечения дополнительного прижатия зубчатого венца 12 к коническим шестерням 8, его прижимают путем прикручивания конусного диска 13 к внутреннему корпусу 7 механизма диафрагмы посредством винтов 28.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Для увеличения диаметра проходного отверстия устройства привод 1, раскручивая вал 9, например, против часовой стрелки, передает вращательное движение на ведущую коническую шестерню 8, которая своими зубьями поворачивает зубчатый венец 12 через его конические зубья, который в свою очередь поворачивает остальные конические шестерни. Вращаясь, зубчатый венец 12 своим противоположным торцом со спиральной поверхностью сообщает одновременное радиальное перемещение всех кулачков 14, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга по окружности на спиральной поверхности зубчатого венца 12. Кулачки 14 сообщают вращательное движение стабилизационному диску 15 в ходе одновременного перемещения вдоль его радиальных пазов. При этом закрепленные на кулачках опорные стержни 22, упирающиеся в пазы кулачкового кольца 4 через направляющие лыжи 18, совершают перемещение вдоль данных пазов в направлении от центра к периферии устройства, увлекая за собой установленные на них треугольные пластинки 19 и лепестки 20. Это движение передает лепесткам 20 в сборке 21 продольное перемещение друг относительно друга, увеличивающее диаметр проходного отверстия устройства до максимального, соответствующего внутреннему диаметру кулачкового кольца 4 (см. фиг. 4). При достижении положения максимального открытия отверстия устройства срабатывает концевой выключатель привода 1. Вращение вала 9 приводом 1 в обратную сторону, например по часовой стрелке, приводит к перемещению опорных стержней 22 в пазах кулачкового кольца 4 в направлении от периферии к центру и к схождению кулачков 14, что увлекает за собой лепестки 20, заставляя их в ходе взаимного продольного перемещения смыкаться и уменьшать диаметр проходного отверстия устройства. При достижении лепестками минимального размера (см. фиг. 3) проходного сечения устройства вновь срабатывает концевой выключатель привода 1.
Кроме открытого и закрытого положения устройство обеспечивает пропорциональное изменение его проходного сечения в большую или меньшую сторону в промежуточных положениях лепестков 20, ограничивающих проходное сечение устройства в форме вписанного многоугольника. При этом передаточное число от ведущей конической шестерни 8, поворачиваемой приводом 1, к ведомому зубчатому венцу 12 с архимедовой спиралью является малым дробным, что обеспечивает более плавную и точную регулировку положения лепестков 20 и диаметра проходного сечения устройства. Привод устройства может быть как автоматическим, так и ручным, либо в комбинированном варианте.
Предлагаемая конструкция устройства обеспечивает возможность использования лепестков диафрагмы достаточной толщины и относительно простой формы, что снижает текущие расходы на обслуживание, и гарантирует длительный период эксплуатации в условиях выноса механических примесей и перепадов давления с сохранением работоспособности.