CN101757992B - 动态预旋与轴向推进式水力旋流器 - Google Patents

Abstract

本发明动态预旋与轴向推进式水力旋流器，由介质预旋部分和水力旋流分离部分组成，轴向进料，由旋转栅进行预旋，轴向尺寸短不易振动；旋转栅同时起升压的作用，旋流器的压力降很小。在旋转栅端部外环区域，设有环状的物料轴向推进加速结构，使旋流器外周的轴向流速增高，边界重组分能更快地到达重液出口，增大处理量和减少未分离内层介质的流出，并减小各层间的轴向速度梯度使之不易挟带掺混。在逆向流动的轻质液导出口，还设置一防短路遮流罩阻止进料混合介质向轻质液导出口的短路流出，协同提高分离效率。本发明适合含固体颗粒的液固相或油水相的高效分离。

Description

动态预旋与轴向推进式水力旋流器

技术领域

本发明涉及一种多相组分的离心分离装置，特别涉及动态预旋与轴向推进式水力旋流器，适合含固体颗粒的液固相或油水相的高效分离。

背景技术

观目前国内外的水力旋流分离器，总体说来分为两大类：静止式的和动态外驱动式的。绝大部分的旋流器都是纯静态部件的静止式结构，如此虽然操作简便、可靠性强、工作寿命长，但由于其分离机理全是凭借其入口介质的压力能转化成高速旋流来实现的，因此压力损失很大，造成推动流动的压差不足而使旋流器单位容积的处理能力降低。并且由于边缘的轴向速度损失较大，容易产生逆向涡流和扩散掺混，降低其分离效果。虽然对于压力损失大的问题，可以采用增加入口压力的方法解决，但除了耗能之外，使用通常的离心泵增压，由于泵内的强烈湍流，将使油水乳化、聚态团粒的破碎作用大大增强，非常不利于其后再进到旋流器中分离。而使用柱塞泵、螺杆泵增压的成本很高。

动态外驱动式的水力旋流器问世于上世纪80年代，至今已发展有Total型、预旋流型和复合型三种常见的形式。其基本结构都是具有一段外界驱动的旋转管段，Total型和复合型的还在管上固装旋转栅来驱动介质加速旋转；欲分离的介质在旋转管内Total型和预旋流型、或在管外复合型沿着管的轴向流动，在旋转栅等驱流转动件的作用下，提高了介质的旋转速度。由于有轴功的输入，故介质的入口压力不必多量地转换成旋转动能，其离心力场就能得到增强，因而使压降减小，分离效率提高。并且增强的离心力场也能补充外周介质的压力损失，使排液顺畅，处理量增加。

但上述的动态驱动式水力旋流器也还存在着一些不足：Total型和预旋流型的外转筒类似静态旋流器的外壳，旋转边界延续到整个分离流道，转筒的机械误差易引起不平衡振动，影响旋流分离的稳定，容易再次参混；预旋流型仅靠分离段外筒内壁的摩擦力来使外周旋流强度提高，其作用有限，转动组件的功效较低；复合型虽是今后发展的方向，但其结构有些复杂，其旋转栅悬臂外伸很长，容易摆转振动。而振动会产生强力混合，减弱分离效果。

再从机理上分析，无论是静止式还是动态外驱动式的水力旋流器，在其增旋收缩段区域，依据动量矩守恒，沿轴向随旋转半径的不断减小，周向旋转速度成反比增大，角速度成平方增加，离心力场强则成3次方增大。随着离心力场的增大，中心流的压力会轴向沿程逐减，而边缘流的压力会沿程逐增，但这种压力梯度，恰与旋流器中的边缘重液向前排出，而轻液一般回流排出的流动方向所要求的推动力是相反的，会延缓已分离相的及时排出。

在旋流器的渐缩增旋段，对重介质来讲，依据流量连续性原则、和轻液向中心区域的回流使外环流量的减少，都要求重介质的轴向速度增加。但由于旋流器内壁的摩擦和上述的逆向压力梯度，使靠近边界的分离重相，轴向加速会更慢，这不利于分离后的重相和沉降物的及时排出，而在进出口压差的作用下，有可能使外层以内的未完全分离相加速从重液出口排出，而使分离效果变差。

不仅如此，上述未完全分离相的轴向速度增高、或者说最高轴向速度的内移，会导致分离段中内层区域各层间的轴向速度梯度增大，而靠近内层轻质相的层间轴向速度梯度若是大，就会加剧对已分离轻质液的挟带掺混，使旋流分离的效果进一步变差。

旋流器的分离效果不如离心机，还有一个重要的原因：就是因为介质要自增旋，故需要分离段半径的收缩，但这会引起离心力场强度沿着轴向的变化太大，无法实现所谓的“中性层”进料而使进料流动对已分离相的干扰最低。旋流分离后的两相，需要逆向排出，而一般内层轻质相是回流排出的，轴向沿程的离心力场不断减弱，流动易向外周扩散；而另一方面，进料介质的压力大于轻质相的流出压力，且因当地的离心力不大，容易向内扩散到已分离轻质液流出口的周边，进到尚未流出的轻质相中，而形成“短路”流出。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述动态和静态水力旋流器的不足，提供一种结构简单、作用原理更加有效的动态预旋与轴向推进式水力旋流器。

本发明无旋转外壳、转子悬臂短不易振动，对进口压力要求低，单位体积处理量大，特别是能增加旋流器外周重组分的轴向排出速度，减少未完全分离相从重液出口的排出，减小分离层之间的轴向速度梯度，进料介质对已分离轻质组分逆向排出的渗透和扰动更小，是一种分离效率高的水力旋流器，能满足油田开采或其他场合下，对于油砂分离、油水分离的需求。

本发明为实现上述目的所采取的技术解决方案为：动态预旋与轴向推进式水力旋流器，由介质预旋部分和水力旋流分离部分组成，预旋部分包括进料管1，转动管轴4，连接盘13，旋转栅14，上、下转动轴承5、10，上、下轴承封盖6、9，皮带轮7，轴承支架8，上、下转动密封2、12和上、下密封座3、11；水力旋流分离部分包括旋流器耐磨衬里15，旋流器外壳16，防短路遮流罩17，轻质液导出口、导出管18、19，对中支撑辐板20，轻质液导出罐21，轻质液出口管22和重液和固体颗粒出口管23，其特征在于：轴流进料的介质经由转动管轴4的末端敞口，不先自预旋就直接导入转动管轴4底端固装的旋转栅14中，进行外驱动动态预旋，在旋转栅14靠向旋流器腔一侧的外环圆周区域，设置了一圈可对旋流器外周介质产生轴向推进加速的结构，又在分离后逆向流动的轻质液导出口18的顶部和周向区，设置一个有一定轴向长度的防短路遮流罩17，罩盖住轻质液导出口18，并向旋流器的收缩增旋段方向做一定的轴向延伸遮挡，还在旋转栅14靠向旋流器腔一侧的端部、从旋转栅14中心到中径以上的区域，覆盖一个阻挡物料介质从轴向流出的旋转栅下端面挡流板26。

所述的旋转栅(14)，包括旋转栅叶片(25)，旋转栅上端面板(24)和旋转栅下端面挡流板(26)，旋转栅叶片(25)安装在旋转栅上端面板(24)和旋转栅下端面挡流板(26)之间，由中心沿径向向外呈辐射状或弯曲辐射状均布，数量为2～16片。

所述的对介质轴向推进加速的结构，由2～16片轴向推进副叶片27组成，轴向推进副叶片27可以选用将旋转栅叶片25的外周下角的一小部分，在朝向外圆周和朝向旋流器内腔的方向，同时做径向和轴向加长延伸段，并使延伸段沿着转动方向，周向向后倾斜弯曲，或成逐渐倾斜弯曲的方式来制成。

防短路遮流罩17为上端面封闭、下端口敞开的筒形结构，直径为轻质液导出管19直径的1.05～4倍，筒长为筒直径的0.5～15倍。

旋转栅叶片25可以是直叶片，也可以是弯曲辐射状叶片，对于直叶片可按径向辐射安装，也可后掠一定角度安装；对于弯曲辐射状叶片，导流前缘略有后弯，边缘切线与旋转栅14径向的夹角α1在0～30°之间，介质流出的导流后缘，与旋转栅14径向的夹角α2在20～80°之间。

轴向推进副叶片27，其径向和轴向加长延伸段，相对于旋转栅14的轴向外伸长度在2～300mm之间，径向外伸尺寸在0～100mm之间，轴向推进副叶片27的宽度在2～100mm之间，厚度在0.5～15mm之间，其后弯倾斜角，即以底端缘斜面作切线与轴线或圆柱母线之间的夹角β在5～80°之间。

旋转栅14的直径在30～1500mm之间，轴向长度在10～600mm之间。旋转栅叶片25的厚度在0.5～15mm之间。

本发明的特点：

1.中心轴流进料，进料轴外驱动旋转，轴底端固装旋转栅。如此一是可使旋流器的轴向尺寸缩短，二是使转动管轴的外伸段达到最短的程度，转子的刚性大大增强，可以减小振动和适应高转速。

2.取消介质的自预旋室，介质经由转动管轴的末端敞口，不先自预旋就直接导入管轴底端固装的旋转栅中，进行外驱动动态预旋。由于无自预旋，进料的压力可以最大程度地保持，且在旋转栅叶片的作用下，不但使进料的环流速度增加，而且其压力也进一步增大用后掠型叶片压力提升更多。换句话说，这里的旋转栅同时起到离心泵叶轮的升压作用，在不少情况下，可以省去旋流器进口的增压泵。

3.在旋转栅靠向旋流器腔的端部、旋转栅的外环圆周区域，设置了一圈对介质轴向推进加速的结构。如此可造成旋流器外周介质轴向流速的增高，以克服边界摩擦，和补充重组分甩边后，在锥管收缩区域，轴向增速所需要的动量。轴向加速推进结构能够对外周密度大的组分和团粒提供更大的轴向动量，使重组分能更快地到达重液出口，减少未完全分离相从重液出口的排出，和降低靠近中心轻液区介质的层间轴向速度梯度，减少对轻质液的挟带掺混和轴向动量传递，使其更快地反向回流，从轴向另一侧轻液口排出。从而提高分离效率，并增大处理量。

4.在分离后逆向流动的轻质液导出口的顶部和周向区，设置一个有一定轴向长度的防短路遮流罩，罩盖住轻质液导出口，并向旋流器的收缩增旋段方向做一定的轴向延伸遮挡。如此可以阻止进料混合介质向轻质液导出口的短路流出，和与逆流排出前的轻质组分发生紊流掺混和扩散，约束轻质组分的扩张流动，进一步提高分离效率。

从中心轴向进料，是由末端连接旋转栅的空心转动管轴的首端对齐进料管来实现的，管轴的外部固装皮带轮或其他动力传动机构，传动机构两端设置转动轴承和旋转动密封。

转动管轴从旋流器的入口一端伸进旋流器腔体中，再通过连接盘定位固装旋转栅，与空心转动管轴同步旋转。进料介质被径向导入旋转栅中，在其中叶片的作用下旋转加速。在旋转栅靠向旋流器腔一侧的端部、从旋转栅中心到中径以上的区域，覆盖一个阻挡物料介质从轴向流出旋转栅的挡流盘。使进料介质不能过早地沿轴向流出，而只能在旋转栅的开放外周和外环区轴向流出，避免干扰旋流器中心区域轻液的逆流排出。

旋转栅的结构和形式是本发明的核心内容，它是由2～16片由中心沿径向向外呈辐射状或弯曲辐射状均布、一定高度的叶片所组成，由强度和刚度的需要，叶片定位固装于旋转栅的两片端面板其中一片为轴向挡流板之内。本发明旋转栅最显著的特点是：除了上述的沿径向辐射叶片之外，在其外圆周的环状区域，指向旋流器内腔的一端，还装有2～16片轴向推进的窄状副叶片，组成轴向推进加速的结构，当该副叶片随旋转栅一起转动时，就会对旋流器外周的介质施加轴向力，使外周介质产生一较大的轴向速度，从而实现本发明的思想和要求。

本发明的有益效果是：

1、结构简单，无旋转外壳、转子悬臂短不易振动。

2、对进口的压力要求低，外驱动的效率高。因设在轴向进料入口处的旋转栅，兼有预旋和升压两种功能，进料压力可不需提升，或是能保持更高的出口压力。这不只意味着可在进口前省用升压泵，而是旋转栅比离心泵有更高的静压加动压的全压效率，和较低的破碎和乳化效应，有利于后续的分离。

3、分离效率高，单位体积的处理量大。因在旋转栅外圆周的环状区域设置了轴向推进副叶片，故能使外周介质产生较大的轴向速度，改善因外层压力沿程衰减而导致的重组分排流不畅、使处理量提高；外周重液的轴向速度大能取代和扼制未完全分离相的排出，并且边界最大的轴向速度分布，还能降低分离介质各层间的轴向速度梯度，从而减少挟带掺混，使分离效率提高。

4、用防短路遮流罩阻止了进料混合介质对轻质组分的紊流掺混和扩散，约束轻质组分的扩张流动，因而提高了对轻质液的分离效率。

5、分离机理创新和集成，结构紧凑，实现了外动力驱动升压、预旋分离和介质静压增旋分离于一体的新型高效水利旋流器。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步地说明。

附图说明

附图1是本发明动态预旋与轴向推进式水力旋流器的结构图。

附图2是本发明旋流器旋转栅和外周轴向推进副叶片的结构主视图。

附图3是本发明旋流器旋转栅和外周轴向推进副叶片结构的A-A截剖面俯视图。

附图4是本发明旋流器外周轴向推进副叶片的B-B截剖面旋转视图。

图中：1.进料管，2.上转动密封，3.上密封座，4.转动管轴，5.上转动轴承，6.上轴承封盖，7.皮带轮，8.轴承支架，9.下轴承封盖，10.下转动轴承，11.下密封座，12.下转动密封，13.连接盘，14.旋转栅，15.旋流器耐磨衬里，16.旋流器外壳，17.防短路遮流罩，18.轻质液导出口，19.轻质液导出管，20.对中支撑辐板，21.轻质液导出罐，22.轻质液出口管，23.重液和固体颗粒出口管，24.旋转栅上端面板，25.旋转栅叶片，26.旋转栅下端面挡流板，27.轴向推进副叶片。

具体实施方式

下面以一个典型的实施例对本发明做详细说明，但不局限于本实施例。

参见附图1，本发明动态预旋与轴向推进式水力旋流器分为两部分：介质预旋部分和水力旋流分离部分。预旋部分包括进料管1，转动管轴4，连接盘13，旋转栅14，上、下转动轴承5、10，上、下轴承封盖6、9，轴承支架8，皮带轮7，以及上、下转动密封2、12，上、下密封座3、11等部件；水力旋流分离部分包括旋流器耐磨衬里15，旋流器外壳16，防短路遮流罩17，轻质液导出口、导出管18、19，对中支撑辐板20，轻质液导出罐21，轻质液出口管22，以及重液和固体颗粒出口管23等。介质的预旋依靠外动力通过皮带轮7驱动转动管轴4、再由管轴末端固装的连接盘13带动旋转栅14的转动来实现。

参见附图3和附图4，外周均布的轴向推进副叶片27，为沿着旋转方向向后弯曲的结构，弯曲角度β，这样当其与旋转栅14一同旋转时，就会对旋流器外周介质产生足够的轴向推进力。

本发明的工作方式描述如下：

混合流体介质通过进料管1进到转动管轴4，然后从其末端开口流到旋转栅14中的各旋转栅叶片25之间，在旋转栅叶片25的作用下，介质被旋转甩向外周，从旋转栅14和旋流器耐磨衬里15粗段内壁之间的环隙、以及旋转栅14前端面挡流板26以外的环区流出。靠向旋流器内腔边界区的介质，会受到轴向推进副叶片27的直接作用，加速向旋流器的收缩增旋段流动。

在旋流器的收缩段，已经被旋转栅14预旋过的介质遵从动量矩守恒规则，旋转角速度获得很大增加，产生强大的离心力场，将重液和固体颗粒甩向边界，并朝向旋流器耐磨衬里15细端口与轻质液导出管19所围成的环隙出口流动，进入重液和固体颗粒出口管23后排出旋流器。

而内层分离出的轻质液相，则沿着轻质液导出管19的外壁面反向流送到导出管端区的轻质液导出口18，从侧开口进入轻质液导出管19，再流到轻质液导出罐21，改变方向进到轻质液出口管22后排出旋流器。轻质液导出口18的端面和外周，被阻止进料混合介质对轻质组分的紊流掺混和扩散、约束轻质组分扩张流动的防短路遮流罩17所遮挡。

防短路遮流罩17为上端面封闭、下端口敞开的筒形结构，筒直径为轻质液导出管19直径的1.05～4倍，筒长为筒直径的0.5～15倍。

皮带轮7被上、下轴承封盖6、9轴向定位，通过键销连接带动转动管轴4和旋转栅14同步转动，转速在300～5000r/min之间，转动管轴4的直径在10～300mm之间。旋转栅14的直径在30～1500mm之间，轴向长度在10～600mm之间。

参见附图2，旋转栅14，由旋转栅上端面板24、片旋转栅叶片25和旋转栅下端面挡流板26组成，旋转栅上端面板24与旋转栅下端面挡流板26，共同固装支撑2～16片辐射状或弯曲辐射状对称排布的旋转栅叶片25，旋转栅上端面板24与转动管轴4外伸端固装的连接盘13对中装配，实现传动。

参见附图3，对于弯曲辐射形状对称排布的旋转栅叶片25，对径向介质的导流前缘略有后弯，边缘切线与旋转栅径向的夹角α1在0～30°之间，以符合入口速度三角形关系。而对介质流出的导流后缘，则采用强后弯形式，与旋转栅径向的夹角α2在20～80°之间。同离心泵的叶片一样，增大α2能使流出旋转栅的介质有更大幅度的增压。而如果介质的入流压力足够，可减小α2，以获得更大的预旋圆周速度。

参见附图3和附图4，在本实施方式中，轴向推进副叶片27，采用最简单的一种加工方式，即没有再另加一个部件对轴向推进副叶片27进行支撑，而是将旋转栅14中的每一片旋转栅叶片25的外周下角的一小部分，在朝向外圆周和朝向旋流器内腔的方向上，都做了径向和轴向同时加长的延伸段，并使延伸段沿着转动方向，周向向后倾斜弯曲，或逐渐过渡倾斜弯曲，就生成了轴向推进副叶片27。如果旋转栅14的直径较大，或介质的密度大、杂质多，则应加工单独的轴向推进组件，以能牢固地安装轴向推进副叶片27，而不会发生震颤。

本实施方式中，外伸出一定长度的、周向向后倾斜弯曲的轴向推进副叶片27，其向后弯曲的倾斜角，即以其底缘斜面作切线，与轴线或圆柱母线之间的夹角β在5～80°之间。轴向推进副叶片27相对于旋转栅14下端面的轴向外伸长度在2～300mm之间，而径向向外伸出的尺寸在0～100mm之间，轴向推进副叶片27的宽度在2～100mm之间，根部略宽些。旋转栅叶片25和轴向推进副叶片27的厚度在0.5～15mm之间。

Claims (5)

1.动态预旋与轴向推进式水力旋流器，由介质预旋部分和水力旋流分离部分组成，介质预旋部分包括进料管(1)，转动管轴(4)，连接盘(13)，旋转栅(14)，上、下转动轴承(5、10)，上、下轴承封盖(6、9)，皮带轮(7)，轴承支架(8)，上、下转动密封(2、12)和上、下密封座(3、11)；水力旋流分离部分包括旋流器耐磨衬里(15)、旋流器外壳(16)、防短路遮流罩(17)、轻质液导出口(18)、轻质液导出管(19)、对中支撑辐板(20)、轻质液导出罐(21)、轻质液出口管(22)以及重液和固体颗粒出口管(23)，其特征在于：中心轴流进料的介质经由转动管轴(4)的末端敞口，不先自预旋就直接导入转动管轴(4)底端固装的旋转栅(14)中，进行外驱动动态预旋，在旋转栅(14)靠向旋流器腔一侧的外环圆周区域，设置了一圈可对旋流器外周介质产生轴向推进加速的结构，又在分离后逆向流动的轻质液导出口(18)的顶部和周向区，设置一个有一定轴向长度的防短路遮流罩(17)罩盖住轻质液导出口(18)，并向旋流器的收缩增旋段方向做一定的轴向延伸遮挡，还在旋转栅(14)靠向旋流器腔一侧的端部、从旋转栅(14)中心到中径以上的区域，覆盖一个阻挡介质从轴向流出的旋转栅下端面挡流板(26)；其中，旋转栅(14)，包括旋转栅叶片(25)，旋转栅上端面板(24)和旋转栅下端面挡流板(26)，旋转栅叶片(25)安装在旋转栅上端面板(24)和旋转栅下端面挡流板(26)之间，由中心沿径向向外呈辐射状或弯曲辐射状均布，数量为2～16片；所述的对介质产生轴向推进加速的结构由2～16片轴向推进副叶片(27)组成，轴向推进副叶片(27)选用将旋转栅叶片(25)的外周下角的一小部分，在朝向外圆周和朝向旋流器内腔的方向，同时做径向和轴向加长延伸段，并使延伸段沿着转动方向，周向向后倾斜弯曲，或成逐渐倾斜弯曲的方式来制成。

2.如权利要求1所述的动态预旋与轴向推进式水力旋流器，其特征在于：旋转栅叶片(25)是直叶片或弯曲辐射状叶片，直叶片按径向辐射安装或后掠一定角度安装；对于弯曲辐射状叶片，导流前缘略有后弯，边缘切线与旋转栅(14)径向的夹角α1在0～30°之间，介质流出的导流后缘采用强后弯形式，边缘切线与旋转栅(14)径向的夹角α2在20～80°之间。

3.如权利要求2所述的动态预旋与轴向推进式水力旋流器，其特征在于：轴向推进副叶片(27)，其径向和轴向加长延伸段，相对于旋转栅(14)下端面 的轴向外伸长度在2～300mm之间，径向外伸尺寸在0～100mm之间，轴向推进副叶片(27)的宽度在2～100mm之间，厚度在0.5～15mm之间，其后弯倾斜角，即以底端缘斜面作切线，该切线与旋流器轴线之间的夹角β在5～80°之间。

4.如权利要求2所述的动态预旋与轴向推进式水力旋流器，其特征在于：旋转栅(14)的直径在30～1500mm之间，轴向长度在10～600mm之间，旋转栅叶片(25)的厚度在0.5～15mm之间。

5.如权利要求1所述的动态预旋与轴向推进式水力旋流器，其特征在于：防短路遮流罩(17)为上端面封闭、下端口敞开的筒形结构，直径为轻质液导出管(19)直径的1.05～4倍，筒长为筒直径的0.5～15倍。 

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