CN113236202B - 一种脉动波环状流发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脉动波环状流发生器，包括管体、环状流发生装置和维稳装置；所述环状流发生装置包括输油管道、输水管道和油水混合管道；所述输油管道和所述油水混合管道同轴设置，且相互连通；所述输水管道设置在所述输油管道的出口端，且与所述油水混合管道连通；所述维稳装置包括设置在所述管体内的用于驱动所述输油管道自转的旋转驱动机构以及用于推动所述输油管道运动的推动机构；所述推动机构推动所述输油管道沿其径向做往复运动，促使输油管道内产生与油相的压缩方向相反的周期性波动。本发明的脉动波环状流发生器可以对管道内失稳的油水环状流进行维稳，使得失稳的油水环状流再次恢复稳定，从而提高稠油的输送效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种油水环状流输送装置，具体为一种脉动波环状流发生器。
背景技术
随着我国经济的快速发展，对石油资源的需求也越来越大，现阶段，石油资源的巨大消耗让我们把目光投向了其他油气资源。在我国，稠油资源十分丰富，但是在开采运输方面则面临着不小的困难。
由于稠油具有比重高、黏度高的特点，因此在运输的过程中，稠油的这些特性会导致其容易在管道内产生较大的压降，即在稠油运输的过程中，需要用较大的动能去驱动稠油运动，除此之外，稠油在管道内的压降会促使该稠油与驱动器件接触，且由于稠油的粘度大，使得稠油粘附在所述驱动器件上；这样也会使得驱动器件承受更大的压力，导致驱动器件的使用寿命下降；因此，目前常采用油水环状流法来降黏减阻，实现对稠油的运输，例如申请公布号为CN112253063A的发明专利申请公开了“一种环状流发生器”，所述环状流发生器采用水相包裹油相的方式来对稠油进行输送，以此来降低稠油的输送阻力，提高稠油的输送效率。
然而上述环状流发生器也存在弊端：由于两相(水相和油相)之间存在密度差，因此在输送一定距离后，环状流会出现偏心(失稳)的情况，即油相压缩水相，若不能及时恢复稳定，油相会不断压缩水相，从而影响流动的稳定性。当水相被完全压缩时，油相则会破开包裹在其外部的水相与管道内壁接触，并粘附在该管道内壁上，使得油水环状流完全失稳，从而导致稠油输送效率被大大降低。
为了解决上述问题，所以亟需一种可以调节油水环状流的稳定性的发生装置来提高稠油的输送效果。
发明内容
本发明在于克服现有技术的不足，提供一种脉动波环状流发生器，所述脉动波环状流发生器可以对管道内失稳的油水环状流进行维稳，使得失稳的油水环状流再次恢复稳定，从而提高稠油的输送效率。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
一种脉动波环状流发生器，包括管体、设置在管体中的环状流发生装置以及用于对失稳的环状流进行维稳的维稳装置，其中，
所述环状流发生装置包括设置在管体内的输油管道、输水管道以及油水混合管道，其中，所述输油管道和所述油水混合管道同轴设置，且相互连通；所述输水管道设置在所述输油管道的出口端，且与所述油水混合管道连通；
所述维稳装置包括设置在所述管体内的用于驱动所述输油管道自转的旋转驱动机构以及用于推动所述输油管道运动的推动机构；其中，所述推动机构推动所述输油管道沿其径向做往复运动，促使所述输油管道内产生与油相的压缩方向相反的周期性波动。
优选的，所述输油管道包括同轴设置的第一输油管道、第二输油管道和第三输油管道，其中，所述第一输油管道、第二输油管道和第三输油管道沿着稠油的输送方向依次排列且连通；其中，所述第一输油管道与所述第二输油管道、所述第二输油管道和所述第三输油管道之间均通过法兰连接。
优选的，所述第二输油管道和所述第三输油管道均为中空的阶梯轴结构。
优选的，所述管体在与所述第二输油管道和第三输油管道对应的位置处分别设置有与该第二输油管道和第三输油管道的外壁配合的定位轴承，所述定位轴承均安装在轴承端盖上；所述轴承端盖安装在所述管体上。
优选的，所述输水管道为多组，多组输水管道沿着所述油水混合管道的圆周方向等角度排布，每组输水管道均与所述油水混合管道连通。
优选的，所述输水管道的轴线与所述油水混合管道的轴线之间的夹角为45度。
优选的，所述第三输油管道的外壁与所述油水混合管道的内壁之间的间距为2mm。
优选的，所述旋转驱动机构包括驱动轴以及用于驱动驱动轴旋转的驱动电机，其中，所述驱动轴的轴线方向与所述输油管道的轴线方向垂直，且该驱动轴竖向贯穿所述管体，所述管体在与所述驱动轴接触的部位设置有与该驱动轴配合的转动轴承，所述转动轴承安装在所述管体上；所述驱动轴的下端与所述输油管道之间设置有锥齿轮传动机构，所述锥齿轮传动机构中的两个相互配合的锥齿轮分别安装在所述驱动轴和所述输油管道上。
优选的，所述推动机构包括推动件以及用于驱动所述推动件竖向做往复运动的往复驱动机构，其中，所述往复驱动机构包括转动轴和沟槽机构，其中，所述转动轴上端转动连接在所述管体上，且与所述驱动轴之间通过直齿轮传动机构连接，所述直齿轮传动机构中的两个配合的直齿轮分别安装在所述驱动轴和所述转动轴上；所述往复驱动机构包括壳体以及设置在壳体内的驱动套，其中，所述壳体下端与所述推动件连接，所述驱动套安装在所述转动轴上，该驱动套的外表面设置有驱动槽，所述驱动槽的两端沿着所述驱动套的圆周方向向下延伸并连通，形成封闭环形；所述壳体上设置有与所述驱动槽配合的驱动杆，所述驱动杆安装在所述壳体内，且延伸至所述驱动槽内。
优选的，所述驱动轴与所述锥齿轮之间以及所述壳体与所述推动件之间均设置有直线驱动器，其中，所述直线驱动器用于驱动所述锥齿轮或所述推动件竖向运动。
本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：
1、本发明的脉动波环状流发生器可以将输油管道内的稠油和输水管道内的水结合，使得水相包裹油相，形成油水环状流，从而有利于提高稠油的运输效率。
2、本发明的脉动波环状流发生器通过维稳装置可以实现对生成的油水环状流进行维稳，当生成的油水环状流失稳时，所述旋转驱动机构带动输油管道转动180度后，所述推动机构推动输油管道沿其径向做往复运动，从而在输油管道内产生与油相的压缩方向相反的周期性波动，使得从输油管道出来的油相也产生相应的规律，与已有的失稳的油水环状流进行中和，从而使得失稳的油水环状流再次趋于稳定，以此保证稠油的输送效果。
附图说明
图1和图2为本发明的脉动波环状流发生器的第一个具体实施方式的立体结构示意图。
图3为本发明的脉动波环状流发生器的立体结构示意图(剖视图)。
图4为维稳装置的立体结构示意图。
图5和图6为沟槽机构的两个不同视角的立体结构示意图(爆炸视图)。
图7为旋转驱动机构带动输油管道转动的结构示意图。
图8为推动机构推动输送管道的管壁的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
参见图1-图8，本发明的脉动波环状流发生器包括管体1、设置在管体1中的环状流发生装置以及用于对失稳的环状流进行维稳的维稳装置。
参见图1-图8，所述管体1的两端设置有连接法兰4，用于与前后管体1进行连接。
参见图1-图8，所述环状流发生装置包括设置在管体1内的输油管道、输水管道3以及油水混合管道2，其中，所述输油管道和所述油水混合管道2同轴设置，且相互连通；所述输水管道3设置在所述输油管道的出口端，且与所述油水混合管道2连通。
参见图1-图8，所述维稳装置包括设置在所述管体1内的用于驱动所述输油管道自转的旋转驱动机构12以及用于推动所述输油管道运动的推动机构13；其中，所述推动机构13推动所述输油管道沿其径向做往复运动，促使所述输油管道内产生与油相的压缩方向相反的周期性波动。
参见图1-图8，所述输油管道包括同轴设置的第一输油管道7、第二输油管道8和第三输油管道9，其中，所述第一输油管道7、第二输油管道8和第三输油管道9沿着稠油的输送方向依次排列且连通；其中，所述第一输油管道7与所述第二输油管道8、所述第二输油管道8和所述第三输油管道9之间均通过法兰4连接。
在本实施例中，所述第一输油管道7的首端也设置有法兰4，用于与上一输油管道连通。除此之外，所述油水混合管道2的末端也设置有法兰4，用于与下一环状流输送管道连通。
参见图1-图8，所述第三输油管道9的末端延伸进所述油水混合管道2内，使得第三输油管道9的出口位置比所述输水管道3的出口位置略远，从而保证从第三输油管道9的出口输送出来的稠油将会与输水管道3的出口输送进来的水在油水混合管道2内形成油水环状流。
参见图1-图8，所述第二输油管道8和所述第三输油管道9内均为中空的阶梯轴结构，其中，所述第三输油管道9中内径较小的部位与所述第二输油管道8中内径较大的部位连通，且两者内径相等；而所述第三输油管道9中内径较大的部位延伸至所述油水混合管道2内，且内径小于所述油水混合管道2的内径；所述第二输油管道8中内径较小的部位与所述第一输油管道7连通，且两者内径相等。
在本实施例中，所述第三输油管道9的外壁与所述油水混合管道2的内壁之间的间距为2mm，亦即通过输水管道3进来的水相在还未与油相结合前的厚度为2mm。
参见图1-图8，所述管体1在与所述第二输油管道8和所述第三输油管道9对应的位置处分别设置有与该第二输油管道8和第三输油管道9的外壁配合的定位轴承11，其中，所述定位轴承11分别位于所述第二输油管道8和所述第三输油管道9中内径较大的部位上；所述管体1内在与所述定位轴承11对应的位置处设置有轴承端盖5，所述轴承端盖5的直径与所述管体1的直径相等；其中，所述轴承端盖5上设置有法兰连接部，用于与前后管体1连接。通过设置所述定位轴承11和所述轴承端盖5，可以实现对输油管道进行轴向定位。
在本实施例中，所述定位轴承11采用滚子轴承；除此之外，所述连接法兰4也可以通过在轴承端盖5上设置法兰连接部构成，也可以单独设置。
参见图1-图8，所述输水管道3为四组，四组输水管道3沿着所述油水混合管道2的圆周方向等角度(90度)排布；所述输水管道3均与所述油水混合管道2连通，且均通过法兰4与外部的进水管道连通；所述输水管道3的轴线与所述油水混合管道2的轴线之间呈一定夹角，其中，若该夹角为90度，当水从输水管道3进来与输油管道的外壁接触时，会产生涡旋且有一部分的水会从阶梯状的第三输油管道9的直径较大的部位与管体1的接触面流出，因此，在本实施例中，所述输水管道3的轴线与所述油水混合管道2的轴线之间的夹角为45度，且由于所述第三输油管道9的外壁与所述油水混合管道2的内壁之间的间距为2mm，这样有助于减小水相在进入到所述油水混合管道2内时在所述第三输油管道9的外壁上产生较大的涡旋，从而有利于形成良好的环状流，并且还可以利用斜管道(输水管道3)产生的压力差来防止水在接触面的渗漏。
参见图1-图8，所述旋转驱动机构12包括驱动轴121以及用于驱动驱动轴121旋转的驱动电机，其中，所述驱动轴121的轴线方向与所述输油管道的轴线方向垂直，且该驱动轴121竖向贯穿所述管体1，所述管体1在与所述驱动轴121接触的部位设置有与所述驱动轴121配合的转动轴承6，所述转动轴承6安装在所述管体1上；所述驱动轴121的下端与所述输油管道之间设置有锥齿轮传动机构123，所述锥齿轮传动机构123中的两个相互配合的锥齿轮分别安装在所述驱动轴121和所述输油管道上。通过驱动电机带动驱动轴121转动，从而通过锥齿轮传动机构123将动力传递给输油管道，以此来带动输油管道转动。
在本实施例中，所述锥齿轮传动机构123中的其中一个锥齿轮设置在所述第三输油管道9中内径较大的端部上。
参见图1-图8，所述推动机构13包括推动件138以及用于驱动所述推动件138竖向做往复运动的往复驱动机构，其中，所述往复驱动机构包括转动轴131和沟槽机构，其中，所述转动轴131上端转动连接在所述管体1上，且与所述驱动轴121之间通过直齿轮传动机构132连接，所述直齿轮传动机构132中的两个配合的直齿轮分别安装在所述驱动轴121和所述转动轴131上；所述往复驱动机构包括壳体133以及设置在壳体133内的驱动套135，其中，所述壳体133下端与所述推动件138连接，所述驱动套135固定安装在所述转动轴131上，该驱动套135的外表面设置有驱动槽136，所述驱动槽136为闭合槽，该闭合槽的两端沿着所述驱动套135的圆周方向向下延伸；所述壳体133上设置有与所述驱动槽136配合的驱动杆137，所述驱动杆137安装在所述壳体133内，且延伸至所述驱动槽136内。
通过上述设置，当所述驱动电机带动所述驱动轴121转动的同时，所述驱动轴121通过直齿轮传动机构132带动所述转动轴131转动，使得与所述转动轴131同轴连接的驱动套135随之转动；此时，若是以驱动套135为参照物，则所述壳体133上的驱动杆137沿着所述驱动套135上的驱动槽136的延伸轨迹运动，由于所述驱动槽136为闭合槽，且所述闭合槽沿着所述驱动套135的圆周方向向下延伸，因此，所述驱动杆137向下运动到最低点后则会逐渐向上运动，从而带动所述壳体133以及壳体133下端的推动件138竖向做往复运动，使得推动件138推动所述输油管道径向做往复运动(此时，所述输油管道可以发生微变形)，以此来产生与油相的压缩方向相反的周期性波动，例如油相向下压缩水相时，则将推动机构13设置在输油管道的下部，通过推动件138从下往上推动输油管道，产生向上的周期性波动，以此来促使油相反向运动，从而保证环状流的稳定性。
参见图1-图8，所述驱动轴121与所述锥齿轮之间以及所述壳体133与所述推动件138之间均设置有直线驱动器，所述直线驱动器用于驱动所述锥齿轮或所述推动件138竖向运动，其中，
设置在所述驱动轴121和锥齿轮之间的直线驱动器122可以带动锥齿轮竖向运动，实现与安装在输油管道上的锥齿轮进行配合和分离；当不需要带动输油管道转动时，通过直线驱动器带122动锥齿轮与安装在输油管道上的锥齿轮分离，使得驱动电机的动力只驱动推动机构13动作；
设置在所述壳体133和推动件138之间的直线驱动器134可以带动推动件138竖向运动，当不需要带动推动件138敲打输油管道时，通过直线驱动器134带动推动件138向上运动，以此来增大推动件138与输油管道之间的行程，这样即使推动件138可以竖向做往复运动，但是其也不能推动输油管道的外壁。
参见图1-图8，本发明的工作原理是；
工作时，输油管道将稠油输送到油水混合管道2内，而输送管道则将水输送到油水混合管道2内，进入到油水混合管道2内的水包裹在稠油的外表面，形成油水环状流，并通过与油水混合管道2连通的环状流输送管道进行输送。
当发现油水环状流发生失稳时，所述直线驱动器122带动锥齿轮与输油管道中的锥齿轮配合，而另一直线驱动器134则带动推动件138缩回；接着，所述驱动电机带动驱动轴121转动，从而通过锥齿轮传动机构123带动输油管道旋转180度。接着，所述直线驱动器122驱动锥齿轮与输油管道中的锥齿轮分离，使得所述输油管道停止转动；而所述直线驱动器134驱动所述推动件138伸出，使得所述推动件138在驱动电机的带动下推动输油管道做往复运动，从而使得从输油管道出来的油相也产生相应的规律，即与油相压缩水相的方向相反，使得油水环状流中的油相朝着与压缩方向相反的方向运动，从而使得油水油水环状流恢复稳定。
其中，具体维稳步骤为：
当油水环状流发生失稳后，先记录稠油从输油管道出来到发生失稳的具体位置之间的距离，以及水相被压缩后的厚度，然后计算被压缩的水相的波形脉动运动方程，接着通过调节电机转速来带动直齿轮传动机构中的直齿轮的运动状态来控制推动机构的推动频率，使其产生与上述的波形脉动运动方程大小相同，方向相反的维稳运动方程，使得失稳的油水环状流中的油相以上述维稳运动方程的状态往下移动，以实现稳定。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：采用斜盘式液压泵替代所述的沟槽机构，利用斜盘式液压泵的周期性运动，也可以实现推动件138的周期性往复运转的效果。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、块合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种脉动波环状流发生器，包括管体、设置在管体中的环状流发生装置以及用于对失稳的环状流进行维稳的维稳装置，其特征在于，
所述环状流发生装置包括设置在管体内的输油管道、输水管道以及油水混合管道，其中，所述输油管道和所述油水混合管道同轴设置，且相互连通；所述输水管道设置在所述输油管道的出口端，且与所述油水混合管道连通；
所述维稳装置包括设置在所述管体内的用于驱动所述输油管道自转的旋转驱动机构以及用于推动所述输油管道运动的推动机构；其中，
所述推动机构推动所述输油管道沿其径向做往复运动，促使所述输油管道内产生与油相的压缩方向相反的周期性波动；
所述旋转驱动机构包括驱动轴以及用于驱动驱动轴旋转的驱动电机，其中，所述驱动轴的轴线方向与所述输油管道的轴线方向垂直，且该驱动轴竖向贯穿所述管体，所述管体在与所述驱动轴接触的部位设置有与该驱动轴配合的转动轴承，所述转动轴承安装在所述管体上；所述驱动轴的下端与所述输油管道之间设置有锥齿轮传动机构，所述锥齿轮传动机构中的两个相互配合的锥齿轮分别安装在所述驱动轴和所述输油管道上；
所述推动机构包括推动件以及用于驱动所述推动件竖向做往复运动的往复驱动机构，其中，所述往复驱动机构包括转动轴和沟槽机构，其中，所述转动轴上端转动连接在所述管体上，且与所述驱动轴之间通过直齿轮传动机构连接，所述直齿轮传动机构中的两个配合的直齿轮分别安装在所述驱动轴和所述转动轴上；所述往复驱动机构包括壳体以及设置在壳体内的驱动套，其中，所述壳体下端与所述推动件连接，所述驱动套安装在所述转动轴上，该驱动套的外表面设置有驱动槽，所述驱动槽的两端沿着所述驱动套的圆周方向向下延伸并连通，形成封闭环形；所述壳体上设置有与所述驱动槽配合的驱动杆，所述驱动杆安装在所述壳体内，且延伸至所述驱动槽内。
2.根据权利要求1所述的脉动波环状流发生器，其特征在于，所述输油管道包括同轴设置的第一输油管道、第二输油管道和第三输油管道，其中，所述第一输油管道、第二输油管道和第三输油管道沿着稠油的输送方向依次排列且连通；其中，所述第一输油管道与所述第二输油管道、所述第二输油管道和所述第三输油管道之间均通过法兰连接。
3.根据权利要求2所述的脉动波环状流发生器，其特征在于，所述第二输油管道和所述第三输油管道均为中空的阶梯轴结构。
4.根据权利要求2所述的脉动波环状流发生器，其特征在于，所述管体在与所述第二输油管道和第三输油管道对应的位置处分别设置有与该第二输油管道和第三输油管道的外壁配合的定位轴承，所述定位轴承均安装在轴承端盖上；所述轴承端盖安装在所述管体上。
5.根据权利要求1所述的脉动波环状流发生器，其特征在于，所述输水管道为多组，多组输水管道沿着所述油水混合管道的圆周方向等角度排布，每组输水管道均与所述油水混合管道连通。
6.根据权利要求1所述的脉动波环状流发生器，其特征在于，所述输水管道的轴线与所述油水混合管道的轴线之间的夹角为45度。
7.根据权利要求2所述的脉动波环状流发生器，其特征在于，所述第三输油管道的外壁与所述油水混合管道的内壁之间的间距为2mm。
8.根据权利要求1所述的脉动波环状流发生器，其特征在于，所述驱动轴与所述锥齿轮之间以及所述壳体与所述推动件之间均设置有直线驱动器，其中，所述直线驱动器用于驱动所述锥齿轮或所述推动件竖向运动。
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