СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СМЕСИТЕЛЯ
METHOD AND DESIGN OF MIXER

Область техники
Настоящее изобретение относится к новому и улучшенному способу и устройству для управления введением твердых частиц в камеру, содержащую текучую среду под давлением, как, например, в смесителях для перемешивания и перекачивания больших объемов растворов жидкости/песка при операциях внутрискважинного гидравлического разрыва.
Предпосылки создания изобретения
Настоящий заявитель ранее разработал различные конструкции лопасти или лопатки для заданного отношения диаметров импеллера. Ранее лопатки проектировались для балансировки точки, в которой перемешиваются твердые частицы и жидкости, между внешним пространством, окружающим лопатки импеллера, и центром импеллера в сборе, для обеспечения введения сухого песка через центр импеллера. Среди прочего, при определении конструкции лопаток импеллера следует учитывать массовый расход или величину потока твердых частиц, а также их плотность для данной скорости вращения лопаток импеллера; и умножать количество оборотов в минуту или скорость на количество лопаток, что, в свою очередь, способствует определению пространства между лопатками, а также их глубины.
Еще одной переменной, которую следует учесть, является расход, с которым песок выбрасывается из центра к области импеллера и на которую может быть оказано влияние как посредством использования лопастей экспеллера, так и в целом конического или приподнятого центра. К тому же, когда диаметр экспеллера и количество его лопаток установлены на основании требуемого расхода частиц песка, могут быть определены диаметр импеллера и форма лопаток для достижения оптимального расхода частиц песка через область импеллера. Следовательно, важно вычислить расход противотока жидкостей через пространства между лопатками импеллера к центру импеллера в сборе. Из этого можно определить оптимальную точку баланса или размер и положение лопаток, необходимые для обращения направленного внутрь потока и принуждения раствора к возврату во внешнее кольцевое пространство, окружающее импеллер в сборе.
В выданном настоящему Заявителю Патенте США № 7967500 описано устройство или конфигурация лопаток, в которой жидкость следует по пути между первичными лопатками к центру импеллера, пока она не достигнет следующей лопатки, которая заставляет ее менять направление на обратное и течь от центра. Тем не менее, существует потребность в использовании блокирующих лопаток в пространствах между первичными лопатками для сохранения сухим ока импеллера и для регулировки точки баланса между твердыми частицами и раствором в области, находящейся радиально снаружи ока, в это же время перекачивая раствор с широким диапазоном массовых расходов. К тому же все еще существует потребность в конструкциях лопаток импеллера, которые не только достигают того, что изложено выше, но и сводят к минимуму расход энергии и уменьшают износ при долговременном использовании, в это же время дополнительно упрощая конструкцию и сводя к минимуму количество деталей, требуемых для предотвращения утечки жидкости или раствора обратно в око или центральную область сборки.
Сущность изобретения
Задача изобретения заключается в разработке нового и улучшенного способа и устройства для смешивания жидкости и твердых частиц с упрощенным импеллером в сборе, который сводит к минимуму износ, расход энергии и замену деталей, в это же время поддерживая оптимальные условия смешивания и предотвращая противоток жидкости или раствора обратно в око импеллера.
Другая задача заключается в обеспечении разработки способа проектирования импеллера, в котором принимается во внимание множество переменных, включающее в себя расходы, плотность и размер частиц для заданного количества и скорости вращения лопаток импеллера, а также расстояния между ними.
Другая задача заключается в разработке импеллера в сборе, имеющего блокирующие поверхности лопаток, встроенные в первичные лопатки и находящиеся на таком расстоянии друг от друга и расположенные так, чтобы поддерживать оптимальные баланс и отражение раствора от ока импеллера.
Еще одна задача заключается в сведении к минимуму потребления энергии, являющегося результатом противотока жидкости между лопатками, посредством блокирования противотока как можно ближе к его началу и перенаправления его обратно в кольцевое пространство, окружающее импеллер в сборе.
Согласно одному аспекту, импеллер в сборе отличается, в частности, тем, что он имеет в целом трехсторонние лопатки, проходящие вверх от основной пластины, которая окружает око импеллера, которое, в свою очередь, окружено кольцевым корпусом, причем каждая лопатка имеет противоположные стороны, сходящиеся в направлении наружу от концевой поверхности рядом или вблизи от внутреннего радиального края основной пластины и оканчивающиеся вершиной у внешнего окружного края основной пластины или вблизи от него.
Согласно другому аспекту, разработано устройство для операций по гидравлическому разрыву, которое поддерживает подачу песка через верхний вход частиц в состоянии текучей среды посредством выборочного удаления воздуха из песка, по мере того, как он приближается к области импеллера, а также распределения песка в направлении от ока импеллера для поддерживания однородной подачи, при этом сводя к минимуму блокировку, и для поддерживания однородных высоких массовых расходов песка при его перемешивании с водой во время образования раствора, предназначенного для использования в операциях по внутрискважинному гидравлическому разрыву.
Согласно еще одному аспекту, новый и улучшенный экспеллер расположен между входом и импеллером в сборе для ускорения подачи песка от входа для перемешивания с водой в области импеллера. Внутренние окружные концевые поверхности лопаток импеллера совмещены с лопатками экспеллера, проходящими радиально наружу от входа твердых частиц. Толщина лопаток импеллера увеличивается к их внешним радиальным концам и они расположены гораздо ближе к переднему концу следующей лопатки при блокировании обратного потока раствора, образованного из воды, текущей под давлением в импеллер в сборе из кольцевого корпуса, и твердыми частицами, приводимыми в перемещение наружу посредством лопаток экспеллера.
Согласно другому аспекту, лопатки импеллера могут содержать у своих внутренних концов блокирующие уступы, которые расположены ближе и обращены к внешнему радиальному концу каждой из смежных лопаток для перенаправления и предотвращения противотока раствора к центру импеллера.
Дополнительные аспекты и варианты осуществления будут понятны из изучения последующих чертежей совместно с подробным описанием, и описанные в этом документе варианты осуществления следует воспринимать как иллюстративные, а не ограничивающие.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой вид в вертикальной проекции, частично в разрезе, смешивающей системы с гидравлическим приводом с низкопрофильным смесителем в сборе;
Фиг. 2 представляет собой другой вид в вертикальной проекции, частично в разрезе, смешивающего насоса с гидравлическим приводом;
Фиг. 3 представляет собой вид в вертикальной проекции, частично в разрезе, другой формы смешивающего насоса с механическим приводом;
Фиг. 4 представляет собой вид в перспективе первого варианта осуществления смесителя с объединенным импеллером/экспеллером в сборе;
Фиг. 5 представляет собой вид импеллера в сборе с Фиг. 4 в поперечном разрезе, взятом по линиям 5-5 на Фиг. 7;
Фиг. 6 представляет собой вид в перспективе верхней накрывающей пластины над смесителем в сборе, проиллюстрированным на Фиг. 4;
Фиг. 7 представляет собой вид в вертикальной проекции импеллера/экспеллера в сборе, показанного на Фиг. 4-6;
Фиг. 8 представляет собой вид в вертикальной проекции второго варианта осуществления импеллера/экспеллера в сборе;
Фиг. 9 представляет собой вид в поперечном разрезе, взятом по линиям 9-9 на Фиг. 7;
Фиг. 10 представляет собой вид в перспективе накрывающей пластины над смесителем в сборе, проиллюстрированным на Фиг. 8 и 9;
Фиг. 11 представляет собой вид в перспективе третьего варианта осуществления импеллера в сборе;
Фиг. 12 представляет собой вид в перспективе другой формы смесителя с импеллером в сборе с Фиг. 11; и
Фиг. 13 представляет собой вид в плане Фиг. 11.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПЕРВОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На чертежах показано устройство 10, имеющее форму смесителя с гидравлическим приводом, который показан на Фиг. 1 и который может быть установлен на грузовике, что не показано, но показано и подробно описано выданном настоящему Заявителю Патенте США № 7967500. Как показано на Фиг. 1 и 2 в упомянутом патенте, вспомогательный насос сообщается с впускным окном, таким как впускное окно 24, показанное на Фиг. 1 в этом документе. Как более подробно показано на Фиг. 1 и 2 в моем упомянутом ранее патенте, при работах по добыче нефти и газа, таких как разрывание или цементирование скважин, насос 10 устанавливается на платформу грузовика вместе с двигателем с механизмом привода для придания вращения центральному ведущему валу через механизм понижения скорости. Твердый зернистый материал, такой как песок, подается из области хранения посредством шнека к верхнему концу бункера и продвигается под действием силы тяжести в область импеллера. Песок смешивается с жидкостью, которая вводится через окно 24, и получающийся раствор выпускается через выходное окно 26 через подающую трубу под давлением, достаточным для подачи к устью скважины. Вспомогательный насос регулирует давление в кольцевом пространстве корпуса импеллера в сборе и может быть выполнен с возможностью точного управления для поддерживания постоянного уровня давления от выхода насоса до впускного окна 24, а также для увеличения давления при необходимости.
В качестве обстановки для первого варианта осуществления, на Фиг. 1 проиллюстрировано устройство 10, имеющее в целом воронкообразный бункер 12, сужающийся вниз и оканчивающийся нижним концом 13, установленным посредством расположенных по окружности на расстоянии друг от друга стоек 14 с небольшим зазором над на близком расстоянии над внутренней стенкой 16 подвески для импеллера 27 в сборе в корпусе 20. Корпус 20 опирается на основное крепление 22 и включает в себя впускное окно 24 и выходное окно 26, которые находятся в открытом сообщении с кольцевым пространством в корпусе 20, окружающим импеллер 27 в сборе.
Ведущий вал 30 установлен в центре бункера 10 с нижним концом, шарнирно установленным во втулке 32 у центра основной пластины 34 импеллера 27 в сборе, и его верхний конец 36 установлен в подшипниках 38 под ведущим двигателем 11. В первом варианте осуществления песок и другие сухие химикаты, смешанные с песком, подаются под действием силы тяжести в центральную область смесителя и выводятся наружу, как описано далее, для образования раствора с жидкостями, в основном содержащими воду, которые вводятся через впускное окно 24 и в кольцевое пространство, окружающее импеллер 27 в сборе.
На Фиг. 4-6 более подробно проиллюстрирован первый вариант осуществления смесителя 2, который состоит из основной пластины 34 и который поддерживает внешние, проходящие наружу лопатки 28 импеллера и внутренние концентрические лопатки 29, 29' экспеллера, установленные на основной пластине 34 и окружающие нижний открытый конец бункера 12. Как показано на Фиг. 6, накрывающая пластина 35 предусмотрена с множеством расположенных по окружности на расстоянии друг от друга ребер, проходящих радиально вдоль верхней поверхности накрывающей пластины 35 от внутреннего круглого ребра 38. Каждое из ребер 36 имеет постоянную толщину в направлении к внешнему круглому краю накрывающей пластины 35 и взаимодействует для предотвращения направленного радиально вовнутрь потока раствора к центральным областям смесителя, окружающего вал 30. В качестве альтернативы, накрывающая пластина 35 и клеть 36 могут относиться к типу, показанному на Фиг. 8 и 10, описанных далее в этом документе.
Лопатки 28 импеллера представляют собой расположенные по окружности на расстоянии друг от друга, дугообразные, как правило, трехсторонние лопатки, проходящие вверх от основной пластины 34 между внешними краями лопаток 29 экспеллера и внешним круговым краем основной пластины 34. Каждая из лопаток 28 импеллера имеет противоположные стороны 39 и 40, сходящиеся в направлении наружу от концевой поверхности 42 и оканчивающиеся у вершины 44 рядом или вблизи от внешнего окружного края основной пластины 34. В свою очередь, концевая поверхность 42 проходит, по существу, в радиальном направлении от внутреннего радиального края 42'. Одна из сторон 39 имеет в целом выпуклую конфигурацию, а противоположная сторона 40 имеет в целом вогнутую конфигурацию, и они сводятся на конус или сходятся в направлении наружу друг к другу, причем выпуклая поверхность 39 оканчивается в изогнутой части 39' поверхности, которая, по существу, соответствует кривизне внешнего периферийного края основной пластины 34. Таким образом, более широкий конец каждой лопатки 28 в направлении к центру является наиболее близким к переднему концу следующей смежной лопатки 28 и стремится ограничивать направленный вовнутрь радиальный противоток раствора, обозначенный стрелкой A, и отклонять его обратно в кольцевое пространство между лопатками 28 импеллера и внешней стенкой 20 корпуса.
К тому же на Фиг. 4 и 6 более подробно проиллюстрированы сборки лопаток экспеллера, в которых множество лопаток экспеллера составлено из комбинации чередующихся, более длинных изогнутых радиальных лопаток 29, проходящих от вала 30, и, по существу, более коротких, но более высоких лопаток 29', проходящих в радиальном направлении вовнутрь от внешнего края основной пластины 34. Каждая лопатка 29, 29' имеет дугообразную кривизну от центральной области в направлении радиально наружу, так что ее выпуклая сторона является передней поверхностью во время вращения лопаток в направлении по часовой стрелке. К тому же внешний край каждой лопатки 29, 29' совмещен с одним из внутренних радиальных краев лопаток 28 импеллера, так что твердые частицы направляются однородно в направлении радиально наружу между лопатками 28 импеллера. Лопатки 39 и 40 экспеллера имеют подобные конфигурации, причем каждая из них имеет вертикальный в целом прямоугольный опорный блок 42 и верхнюю, повернутую под прямым углом часть 44 лопасти для образования канала для прохождения наружу твердых частиц в пространство между лопатками 39 импеллера, и их небольшая кривизна обеспечивает плавное прохождение твердых частиц в направлении радиально наружу. Также, верхние части 44 лопасти имеют ширину, увеличивающуюся к их внешним перифериям, и расположены под прямыми углами к вертикальным частям 42. Во время работы более короткие лопатки 29' соприкасаются с песком вдоль внешней области экспеллера и стремятся приводить песок в перемещение вбок и наружу без соприкосновения с более длинными лопатками; и более длинные лопатки 29 соприкасаются с песком вдоль внутренней области экспеллера и приводят песок в перемещение в направлении вокруг и радиально наружу с небольшим или отсутствующим соприкосновением с более короткими лопатками. Опять же более короткие лопатки 29' имеют большую высоту, чем более длинные лопатки 29, и покрывают, по существу, такую же площадь, как и более длинные, но более низкие лопатки, и, таким образом, могут выравнивать количество песка, зацепляемого каждым комплектом лопаток 29 и 29', соответственно, для исключения дисбаланса.
Первый вариант осуществления особенно хорошо подходит для использования в низкопрофильных импеллерах в сборе такого типа, как проиллюстрированный на Фиг. 1 и известный на рынке как смеситель с открытым входом, такого типа, как показанный и описанный в выданных Настоящему Заявителю Патентах США № 4239396 и 4460276, в которых импеллер в сборе выполнен с возможностью развития угловой скорости, которая предотвращает обратный поток перемешанных материалов через импеллер во вход для твердых материалов. Для изделий такого типа естественно, что режимы давления, поддерживаемые во всей системе, уравновешиваются не только для достижения непрерывного смешивания больших объемов материалов, но и для исключения увеличения давления воздуха во входе для твердых материалов и блокирования песка и других зернистых материалов. Это достигается частично посредством использования экспеллера, расположенного вокруг увеличенного центрального вала, и посредством обеспечения выхода воздуха в точке, лежащей непосредственно вблизи от входа для твердых материалов. Например, на Фиг. 1 воздух может выходить у стыка нижнего конца воронки посредством каналов или проходов 17 выпуска воздуха, которые находятся между стенкой 16 и нижним краем воронки 12 и которые сообщаются с круглым отверстием, ведущим в центральную область импеллера над корпусом 20, окружающим импеллер 28 в сборе.
На Фиг. 2 и 3 проиллюстрированы другие применения смесителя с Фиг. 4-6 в смешивающих насосах, причем на Фиг. 2 показан смешивающий насос 10' с гидравлическим приводом, с гидравлическим двигателем, обозначенным номером 11, у верхнего конца ведущего вала 30', и, опять же, предусмотренный с рельефными проходами или отверстиями 17' между воронкой 12' и верхним концом центрального отверстия, ведущего в центральную область импеллера внутри корпуса 20'. На Фиг. 2 смеситель или импеллер 27' в сборе изменен посредством добавления нижних лопастей 28' импеллера для подачи воды под давлением в кольцевое пространство или корпус 20', окружающий импеллер 27' в сборе.
На Фиг. 3 показано применение импеллера 27 в сборе, подобного показанному на Фиг. 4-6, в смешивающем насосе 10" с механическим приводом, в котором под смесителем расположена зубчатая передача M для ведущего вала 30", проходящего вверх в смеситель 27" в сборе с нижними лопастями 28" импеллера и закрепленного нижней конической концевой гайкой 80. Перфорированная трубка 82 проходит вверх через воронкообразный вход 12" для твердых материалов. Вход 12" для твердых материалов сконструирован из двух частей для обеспечения выхода воздуха из твердых материалов и через расположенные на расстоянии друг от друга отверстия в перфорированной трубке 82 для предотвращения накопления и застревания песка и повышения давления воздуха в области входа.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВТОРОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На Фиг. 8-10 проиллюстрирован второй вариант осуществления, в котором части, такие же, как на Фиг. 4-6, или подобные им, обозначены соответствующими номерами. Таким образом, лопатки 29, 29' экспеллера соответствуют лопаткам экспеллера на Фиг. 4-6 и установлены в измененном импеллере 27 в сборе, в котором множество лопаток 52 импеллера расположено по кругу на одинаковом расстоянии друг от друга таким же образом, как лопатки 28 на Фиг. 4-6. Тем не менее, каждая из лопаток 52 импеллера изогнута по всей своей длине от ее внутреннего радиального края 54, который упирается в одну из лопаток 29, 29' экспеллера, до ее внешнего радиального края 56 у внешнего окружного конца основной пластины 34. Каждая лопатка 52 имеет одинаковую ширину или толщину по всей своей длине и высоту, соответствующую высоте более коротких лопаток 29' экспеллера; тем не менее, у своего внутреннего радиального конца каждая лопатка 52 включает в себя V-образную радиальную часть или отражатель 54, который выступает в путь противотока, обозначенного стрелкой A', какого-либо раствора, пытающегося вернуться в центр или око смесителя 2. На Фиг. 8-10 проиллюстрирована измененная форма накрывающей пластины 35', имеющей приподнятую поверхность 36' с U-образными канавками 36' на одинаковых интервалах вокруг накрывающей пластины, причем открытые концы канавок проходят радиально снаружи. Накрывающая пластина присоединена к нижней поверхности верхней стенки корпуса 20 и находится сверху на расстоянии от импеллера 27' в сборе. Сборка 27' является неотъемлемой частью накрывающей пластины 35' и проходит вниз от нее.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ТРЕТЬЕГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На Фиг. 11-13 проиллюстрирован другой вариант осуществления, в котором измененная форма импеллера в сборе показана вместо импеллера 27 в сборе из варианта осуществления, показанного на Фиг. 4-6. Опять же, круглая основная пластина 34 имеет центральное отверстие 62, которое установлено с возможностью вращения на центральном ведущем валу, как и в других вариантах осуществления. Сборка центральных лопаток экспеллера составлена из в целом треугольных лопастей 64, имеющих однородную толщину и расходящихся вверх и наружу от центра 62 к внешнему вертикальному краю 65, расположенному на небольшом расстоянии и обращенному к внутренней поверхности каждой из лопаток 61 импеллера, описанных далее в этом документе. Верхний наклонный край 63 каждой лопасти 64 экспеллера изогнут поперечно в направлении вращения лопаток 61. В свою очередь, каждая из лопаток 61 импеллера имеет дугообразную лопасть 66, изгибающуюся радиально наружу от коленчатой части, составленной из внутреннего радиального конца 68, и короткой, проходящей в радиальном направлении обратной части 70. Элементы 66, 68 и 70 лопасти имеют однородные толщины, и наибольший элемент 66 лопасти изгибается в направлении радиально наружу от своего внутреннего радиального края к внешнему радиальному краю 72, который выполнен заподлицо с внешним круговым краем основной пластины 34. Соответственно, одна боковая поверхность 73 является вогнутой, а противоположная сторона 74 является выпуклой, и каждая обратная часть 70 проходит радиально наружу в направлении к внешнему краю 72 каждой последующей лопасти 62, чтобы образовывать ограниченное пространство или зазор между смежными лопатками. Как описано далее, расстояние между смежными лопатками регулируется для ограничения противотока раствора к центру импеллера/экспеллера в сборе.
Несмотря на то, что это не показано, очевидно, что все накрывающие пластины и экспеллеры в сборе из трех вариантов осуществления являются взаимозаменяемыми. Для примера, но не в качестве ограничения, сборка 27" на Фиг. 11-13 показана как часть смесителя в сборе с Фиг. 3, но основная пластина 34 выполняет функцию разделительной пластины для нижнего импеллера в сборе, обозначенного номером 28". Таким же образом, первый и второй варианты осуществления являются взаимозаменяемыми и могут быть установлены, как показано на Фиг. 1 и 2, с устройством нижнего импеллера или без него.
В конструкции лопаток импеллера, как замечено выше, следует принимать во внимание несколько факторов, включающих в себя, без ограничения, скорость течения жидкости к центру импеллера после прохождения каждой лопаткой заданной точки на импеллере. Обратимся, например, к Фиг. 5, на которой стрелкой A обозначено направление обратного потока раствора, входящего в пространство между лопатками 28. В этом отношении, расширенный конец каждой лопатки импеллера действует, как отражатель и может быть перемещен наружу для встречи с потоком текучей среды настолько близко к его началу у внешней периферии импеллера в сборе, насколько это возможно. Иначе говоря, чем раньше текучая среда будет блокирована и перенаправлена обратно к кольцевому пространству, тем меньше будет затрачено энергии.
На Фиг. 9 представлен альтернативный подход посредством использования уступов или блокирующих лопаток 54 напротив точки вхождения жидкости из кольцевого пространства в пространство между лопатками 52. Этот подход уменьшает общий размер каждой лопатки, но требует большего количества энергии, поскольку отражатель расположен ближе к центру импеллера перед его изгибом обратно к кольцевому пространству. Здесь путь жидкости или текучей среды показан стрелкой A'.
На Фиг. 13 проиллюстрирован еще один подход, в котором блокирующая лопатка установлена ближе к нижней части лопатки, причем ее обратный конец 70 расположен на пути раствора для предотвращения его попадания в центр импеллера, но требует большего потребления энергии из-за большего пространства между внешним концом или краем 72 каждого импеллера и внутренним концом 68 каждого последующего импеллера. Таким образом, путь текучей среды, представленный стрелкой A", является гораздо более длинным, и, несмотря на то, что текучая среда не может достигать центра импеллера, она должна откачиваться обратно в кольцевое пространство, посредством этого уменьшая эффективность системы. В этом отношении, при определении импеллера в сборе, наиболее эффективного для использования, нужно принимать во внимание величину давления, образуемого смешивающим насосом, по отношению к массовому расходу песка или другого зернистого материала.
Таким образом, следует понимать, что, несмотря на то, что в этом документе изложены и описаны предпочтительные способы и устройства, могут быть выполнены различные изменения и модификации конструкции и расположения частей и их взаимозаменяемости без отхода от сущности и объема вариантов осуществления, описанных в этом документе и определенных в прилагаемой формуле изобретения.