CN101491793A - 离心分离器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将液体从载有液体或蒸汽的气流中分离的离心分离器(2)，其具有由固定的内壳体(16)限定的、沿轴向方向(18)对齐的流动通道(14)，该分离器在高分离效率的情况下应该具有特别安静的和较少振动的工作特性。为此，根据本发明离心分离器(2)具有多个液体收集室(38)，这些收集器在分离路段(8)的区域中在轴向方向(18)上一个接一个地放置，和分别环形地围绕内壳体(16)设置，并分别由隔板(36)相互密封，其中各个液体收集室(38)通过多个引入到内壳体(16)中的穿孔(26)与流动通道(14)以流动技术连接。

Description

离心分离器

技术领域

本发明涉及一种离心分离器，用于将液体从载有液体或蒸汽的气流中分离，其具有由固定的内壳体限制的、沿轴向方向对齐的流动通道。

背景技术

离心分离器，也被称为旋流分离器，还用于分离包含在气体中的固态的或液态的颗粒，特别是用于将水滴从水汽混合物中分离。为此，载有液体或潮湿蒸汽的气流在流动通道内部转换成涡旋运动。由于离心力的作用以及液态颗粒与气体微粒相比更大的惯性，液态颗粒在流动通道的外边缘区域中积聚在流动通道限定的壁上，在那里液态颗粒被聚集并排出，而同时这样被除湿的气流自身通过流动通道的中央区域离开流动通道。

在已知结构类型的离心分离器中，在壳体壁中设置了由内壳体筒状地环绕的、具有环形狭缝的流动通道。被分离的液体被收集在通过该狭缝与流动通道连接的、相对较大容积的收集容器中，并通过引流管从该容器中泵出。这种结构类型的离心分离器缺点在于，其呈现出相对不安静的工作特性，其至少在一些工作区域中产生剧烈的震动和振荡。除了部件和连接件的相对较大的机械负荷之外，特别是在工作期间也会产生干扰性的巨大噪声。此外，与所输入能量相比的液体分离的效率以及绝对的除湿效果都有待改进。

发明内容

因此本发明的目的在于，提供一种离心分离器，其在高效率和高分离功率的情况下出众地表现出特别安静的工作特性。

根据本发明的目的通过以下方式来实现，即离心分离器具有多个液体收集室，这些液体收集室在分离路段的区域中在轴向方向上一个接一个地放置，这些液体收集室分别环形地围绕内壳体设置并分别由隔板相互密封，其中，各个液体收集室通过多个引入到内壳体中的穿孔与流动通道以流动技术的方式连接。

本发明从在数字流体仿真(CFD＝computational fluid dynamics计算流体动力学)框架中意外获得的知识出发，首先将至今离心分离器的不安静的工作特性归因于在唯一的、相对大容积的液体收集容器内的压力波的共振式的激励和传播，这样的激励和传播又反作用于流动通道并在那里导致了不期望的二次涡流(在所期望的一次涡流的旁边)。因此至今的几何结构，即在流动通道的壁上以环绕的环形狭缝方式设计的通向收集容器的穿孔起到了不利的作用，其有助于形成所不期望的反射波。

为了避免这样的效应，现在提出，预设多个环形地围绕流动通道设置的、相对小容积的液体收集室，在轴向方向上看，这些液体收集室分别一个接一个地放置并由环形的隔板或隔片相互隔开，并进而在流体技术上分离。替代至今在内壳体中的唯一的环绕狭缝的方式，从现在起每个液体收集室通过多个不仅围绕流动通道的周边而且也在轴向方向上分布地设置的穿孔与流动通道连接，这些穿孔分别具有相对小的横截面。

如在CFD试验的框架中所证实的，利用这种设计可以有效地遏制脉冲式的压力波的形成和传播以及二次尾涡的形成。此外，在流动通道中出现比至今更小的滞止压力，这使得在壳体壁上的液体分离和经过穿孔转移到各个液体收集室中变得更容易。液滴透入到在内壳体的壁上形成的液膜的边界层中同样变得更容易。因此也能够有效地分离相比较地小的液滴。此外，通过在流动通道中目的明确地遏制二次涡旋还避免了，在各个液体收集室中聚集的液体再次被吸入或卷入到流动通道中。此外，通过限定流动通道的筛状穿孔的内壳体扩大了对于阶段式分离起作用的表面，这同样有助于有效的液体分离。

对于均匀的、并且在空间上看在一定程度上连续的液体分离，对应于各个液体收集室的穿孔至少近似均匀地分布在由内壳体形成的流动通道的外壳表面上。此外，穿孔的空间“密度”可能例如从腔到腔地轻微地改变，从而实现在流动通道的各个部段中与局部流动比率特别有利的匹配。然而对于简化地制造离心分离器来说，穿孔有利地超过全部的分离路段至少近似均匀地分布在流动通道的外壳表面上。如果在想象中将外壳表面展开，则其也就形成了近似有规律的二维的图案或格栅。

数字式的研究指出，如果所有的穿孔的全部横截面面积与在分离路段的区域中的流动通道的外壳表面的比值为5％至15％，优选为10％，则这是特别有利的。

在一个优选的改进方案中，离心分离器的内壳体这样设计，即在气流的主流动方向上看，也就是在从入口侧到出口侧的轴向方向上看，流动通道收缩，特别是成圆锥形地收缩。通过这样地在主流动方向上减小直径，使得气流的紊流的不可避免的效果进而在流动通道的圆柱形设计方案中的涡流或者说涡旋强度的取决于恒定直径的下降得到了补偿。因此在正确地选择由壳体壁所形成的圆锥形壳层相对于轴向方向的倾斜角的情况下可以实现，即涡旋流的切向的(也就是说在周向上指向的)速度分量尽管在不可避免的消散损失的情况下仍在其外边缘区域中超过全部的分离路段近似地保持恒定或者甚至朝向于出口侧上升。因此在正确地选择倾斜角的情况下，对于气体-液体-分离起作用的离心力也在全部的分离路段上近似地保持恒定。

在有利的设计方案中，各个液体收集室设计为在周向上不进一步分隔开的环形腔。被分离到各个环型腔中的液量则按重力沿腔的内壁向下流动，并聚集在起收集池作用的下部区域中，从而使得对应于每个腔仅仅需要唯一的引流管，且引流管优选地连接在腔的最低点，从而排出聚集的液体。

各个液体引流管在其与离心分离器远离的端部上优选地通过U形的或S形的虹吸管弯型部与共同的收集管或与其它的外部收集容器连接。在虹吸管弯型部中形成液体塞时，就因此确保了，即离心分离器的各个液体收集室气密地相对于外部环境封闭。因此，在液体收集室内的气压基本上与在通过穿孔连接的流动通道的附属部段中的滞止压力相符，并且不受引流的影响。在此特别防止了在腔内的压力波动通过引流管的系统扩散到其它腔内。

在另一个优选的设计方案中，离心分离器的流动通道具有在流动方向上置于分离路段之前的入口区域和置于分离路段之后的出口区域，其中在入口区域中设置有产生涡旋的导流片的轮缘和在出口区域中设置有吸收涡旋的导流片的轮缘。入口侧和/或出口侧的导流片或导向叶片可以有利地调节其迎角。通过在出口区域中的所谓的“整流器”，包含在涡旋流的涡旋部分中的动能重新转换为压力，并因此至少部分地补偿了在分离路段内所遭受的压力损失。

利用本发明获得的优点特别在于，通过在空间上一定程度上连续地在限定流动通道的内壳体的周边上的液滴分离和通过将在周围的收集室分隔成多个轴向地一个接一个设置的和相互气密地隔开的液体收集室，特别是与呈圆锥形收缩的流动通道相结合和与用于单独的液体收集室的气密的液体引流管相结合，由此在同样高的分离效率的情况下可以实现具有特别安静的和较少振动的工作特性的离心分离器。这种类型的最优化的离心分离器特别适合于作为粗分离器或预分离器，例如用于为在蒸汽透平循环中在流动侧上后置的其它的水分离器去负荷，例如在高压透平级和低压透平级之间。

附图说明

下面参照附图详细说明本发明的实施例。图中示出：

图1是离心分离器的纵向截面图，和

图2是在以箭头II标出的观察方向上根据图1的离心分离器的俯视图。

具体实施方式

在图1和图2中所示出的离心分离器2用于将水滴从发电站的水-蒸汽-循环中的、特别是在从高压透平向接入在低压透平之前的中间过热器管(这里未示出)的过流管中的湿润的蒸汽流中预分离或粗分离出来。在离心分离器2和中间过热器管之间可以在此连接水分离器，后者由离心分离器2去负荷。

离心分离器2包括：入口区域4，该区域具有用于需要除湿的气流或蒸汽流的注入孔6；分离路段8，在该路段内进行液体分离；出口区域10，该区域具有导出孔12。在注入孔6和导出孔12之间，气流或蒸汽流在流动通道14中被引导，该通道向外由具有适当地限定轮廓的内壳体16限定。

流动通道14沿在轴向方向18上的轴线A对齐；轴向方向18同时决定了方向，气流或蒸汽流沿该方向进入到入口区域4中。除了还要详细描述的液体引流管之外，整个离心分离器2基本上径向对称于对称轴线A来构造(参看图2)。

在入口区域4中设置有涡旋发生器20，后者具有多个以涡轮导向叶片的透平叶轮轮缘的型式的、从轴线A径向向外延伸的、固定成型的导流片22或导向叶片。在离心分离器2的入口接头中，轴向流入的蒸汽经过导流片22而转入涡旋运动状态。基于形成的离心力和液滴与气体分子相比明显更大的质量，随着更大的惯性，液滴在分离路段8的区域中向外离心分离到内壳体16的壁上，并在那里积累成为液膜24，最后通过在内壳体16中的相应的穿孔26和在附近的收集容器向外排出。通过这种方式，从导出孔12中离开的气流或蒸汽流比进入到注入孔6中的气流或蒸汽流含有更低的湿度。

在简单地保持的结构形式的情况下，离心分离器2设计为用于包含在气流或蒸汽流中的液体部分的相比较地高的分离度，其中同时能够实现特别安静的和较少振动的工作特性。为此，穿孔26在分离路段8的整个延伸上并在流动通道14的全部的周边上以相对小的例如为5mm至10mm的直径引入到环绕流动通道14的外壳表面28中，也就是说引入到内壳体16的壁中。在此，有规律地这样选择该布置，即在两个邻近的穿孔26之间的距离，参考其各自的中心点，计为大约6mm至20mm。所有的穿孔26的全部横截面面积与在分离路段8的区域中的外壳表面的比值(称为穿孔度)共计例如为10％。由此确保在流动通道14中向外离心分离的和暂时地在液膜24(具有边界层30)中积聚的液滴可以实际上在全部的外壳表面28上毫无问题地穿过彼此相对紧密地放置的穿孔26向外排出。

经过穿孔26离开流动通道14的液量被收集到在围绕流动通道14设置的环形室32中。环形室32向内由内壳体16限定；外部界限由基本上为圆柱形的外壳体34形成，该外壳体在分离路段8的起始处和终结处连接引导至内壳体16，并与该内壳体气密地连接或者说封闭。环形室32通过环形的、垂直于轴线A指向的隔板36分隔成相互气密和液密地分开的液体收集室38。在实施例中，在轴向方向18上一个接一个地设置有四个这种类型的、分别设计为环形腔的液体收集室38。在这些液体收集室38之间也就不存在直接的以流动技术的连接，因此也就不存在压力平衡的可能性或压力波动的传播(Propatation)的可能性。大多数时候，在各个穿孔26和通过流动通道14的在其间的区段上存在间接的流动连接，但是该连接实际上由在流动通道14中流动的和具有相对较高的滞止压力的气流或蒸汽流、以及由取决于工况来调节的液膜24而在内壳体16的内壁上锁止。因此，向外离心分离的液体可以进入到液体收集室38中，而不会发生在这里可能性的、相比较而言轻微的压力波动的扩散，以及不会相互间以共振的方式加剧压力波动。在此也遏制了二次涡旋的形成，否则该二次涡旋可能会将在各个环形腔中聚集的液体42再次拖入到流动通道14中。

液体引流管40连接在各个液体收集室的最低的位置上，从而将在那里聚集的液体42优选地单独通过重力而不使用泵等等排出。液体引流管40在其第二个端部分别通入到共同的收集管44中，另一方面该收集管通至外部的收集容器(未示出)或者以合适的方式与液体循环连接。为了避免压力波在液体收集室38内通过由液体引流管40和收集管44构成的管系统传播，各个液体引流管40具有U形的虹吸管弯型部46，该弧形部由在那里聚集的液体塞48气密地封闭。可选地，当然也可以使用其它已知的这种类型的在英语地区也被称为“Traps”的液体密封件的变体。

为了进一步提高分离效率，限定流动通道14的内壳体16在分离路段8的区域中以收缩的圆锥形壳层的方式来设计，其中具有较大的直径的端部位于气流或蒸汽流的入口侧上，并且具有较小的直径的端部朝向出口侧。通过流动通道14的横截面的收缩，“推动”液体分离的流体的涡旋尽管在消散损失的情况下仍然保持特别高效。

为了实现特别有效的流体导向和产生涡旋，将设置在中央轮毂50的区域中的圆锥形的导流体52在流动侧连接在涡旋发生器20的导流片22之前，该导流体具有圆形的尖端54。在导流片22的下游设置有另一个圆柱形的导流体56，该导流体一直延伸进入到分离路段8的区域中。该导流体起到了用于涡旋流动的排挤器的作用，因此强制地使涡旋流动在位于导流体56和内壳体16之间的环形的空间区域中形成。导流体56的引入到分离路段8中的引出部例如是半球形，从而减少了二次涡旋和压力损失。由此防止了在涡旋发生器20之后形成不稳定的真空区域，该区域周期性地崩溃，并由此导致巨大的压力振动。以上方法为安静的工作特性提供了显著的帮助。

对于动力能量的“恢复”以及将其转换成气压来说，在离心分离器2的出口区域10中设置有涡流矫正仪57，其具有固定的导流片58的轮缘或者导向叶片的轮缘，该轮缘的构造近似于导流片22的入口侧的轮缘，然而其导流片58相反地导向。因此，出口侧的导流片58引起了入口侧产生的涡旋流体返回到轴向的流体中，并引起了离开的、被除湿的气流或蒸汽流的压力上升。在流动方向上扩大的扩散道60也用于增大压力的目的。为了更好地为流体导向，消除涡旋的导流片58的轮缘设置在同轴地对齐于轴线A的空心圆筒61上。可选地，封闭的圆筒也可以具有有利于流动地成型的端面。为了进行压力恢复，根据目的对导流片58的轮廓进行优化。

离心分离器2尤其适合于如在图1中所示出的那样水平安装或者适合于倾斜安装。然而原则上任何空间上的指向都是可以实现的。那么在必要时有可能对将液体引流管40在液体收集室38上的安装方式进行调整，从而使该液体引流管进一步位于各个腔的最低的位置上。在实施例中，腔的总长为4.90m，其外直径为2.0m。该设计用于可达15bar的允许的工作压力和用于可达200℃的允许的工作温度。其优选地应用在具有1400MW的电功率的发电站透平设备的蒸汽循环中。

通过降低在离心分离器2之后的以及也许后接的水分离器之后的湿度，一方面减少了在其后的部件(例如过热器管束)上的可能的水滴侵蚀，另一方面通过降低热蒸汽消耗和通过提高蒸汽温度而提高了设备效率。

另外也可以考虑将离心分离器2用于从气流中分离固体颗粒。

参考标号

2     离心分离器        56    导流体

4     入口区域          57    涡流矫正仪

6     注入孔            58    导流片

8     分离路段          60    扩散道

10    出口区域          61    空心圆筒

12    导出孔

14    流动通道

16    内壳体

18    轴向方向

20    涡旋发生器

22    导流片

24    液膜

26    穿孔

28    外壳表面

30    边界层

32    环形室

34    外壳体

36    隔板

38    液体收集室

40    液体引流管

42    液体

44    收集管

48    液体塞

50    轮毂

52    导流体

54    尖端

Claims (9)

1.一种用于将液体从载有液体或蒸汽的气流中分离的离心分离器(2)，具有由固定的内壳体(16)限定的、沿轴向方向(18)对齐的流动通道(14)，以及具有多个液体收集室(38)，所述液体收集室在分离路段(8)的区域中在所述轴向方向(18)上一个接一个地放置，并且所述液体收集室分别环形地围绕所述内壳体(16)设置并分别由隔板相互密封，其中各个所述液体收集室(38)通过多个引入到所述内壳体(16)中的穿孔(26)与所述流动通道(14)以流动技术的方式连接。

2.根据权利要求1所述的离心分离器(2)，其中，对应于各个所述液体收集室(38)的所述穿孔(26)至少近似均匀地分布在所述流动通道(14)的、由所述内壳体(16)形成的外壳表面(28)上。

3.根据权利要求2所述的离心分离器(2)，其中，所述穿孔(26)至少近似均匀地分布超过全部的所述分离路段(8)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的离心分离器(2)，其中，所有的所述穿孔(26)的全部横截面面积与在所述分离路段(8)的区域中的所述流动通道(14)的所述外壳表面(28)的比值为5％至15％，优选为10％。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的离心分离器(2)，其中，在所述轴向方向(18)上一个接一个地设置的所述液体收集室的数量为3至5个，优选为4个。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的离心分离器(2)，在气流的主流动方向上看，所述离心分离器的所述流动通道(14)在所述分离路段(8)的区域中收缩。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的离心分离器(2)，其中，各个所述液体收集室(38)设计为在周向上不进一步分隔开的环形腔。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的离心分离器(2)，其中，具有虹吸管弯型部(46)的液体引流管(40)优选地在所述液体收集室的最低点连接至各个所述液体收集室(38)。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的离心分离器(2)，所述离心分离器的所述流动通道(14)具有在流动方向上置于所述分离路段(8)之前的入口区域(4)和置于所述分离路段(8)之后的出口区域(10)，其中，在所述入口区域(4)中设置有产生涡旋的导流片(22)的轮缘以及在所述出口区域中设置有消除涡旋的导流片(58)的轮缘。

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