CN102345791A

CN102345791A - 一种管道内气液两相螺旋流发生装置

Info

Publication number: CN102345791A
Application number: CN2011103009131A
Authority: CN
Inventors: 王树立; 饶永超; 金海鸥; 周诗岽; 李恩田
Original assignee: CHANGZHOU ENERGY ENGINEERING CO LTD; Changzhou University
Current assignee: CHANGZHOU ENERGY ENGINEERING CO LTD; Changzhou University
Priority date: 2011-10-09
Filing date: 2011-10-09
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2031-10-09
Also published as: CN102345791B

Abstract

本发明公开一种管道内气液两相螺旋流发生装置，该装置包括螺旋流发生器（2）和安装管段，所述螺旋流发生器（2）由导流体（6）、固定圆环（8）和三支相同的叶片（14）和组成，所述叶片（14）的总体外部轮廓为螺旋桨叶型，其内侧间隔均匀的固定在导流体（6）上，外侧固定于固定圆环（8）内侧；所述叶片（14）与导流体（6）横截面存在夹角α；所述叶片（14）上设置有以导流体（6）为中心均匀分布的圆弧型导流板（12）；所述安装管段由管型外壳（3）组成，螺旋流发生器（2）安装在所述安装管段的进口端（1）位置。该装置螺旋效果好、流态衰减慢和适用范围广。

Description

一种管道内气液两相螺旋流发生装置

技术领域

本发明属于管道内气液两相流体传送装置，尤其涉及一种用于传输气液两相流体的管道起旋装置。

背景技术

螺旋流是一种具有旋转流场的流动形式，它在工业方面的应用范围极其广泛，在水利工程上、机械加工中都有应用。同时，螺旋流技术也进入了人们日常生活领域，如螺旋流节能煤气灶等。既然螺旋流有如此广泛的应用，那么其产生条件就非常关键。一般来说，螺旋流常规产生方法有三种:切向进流、安装导流片及旋转管道。

安装导流片式的螺旋流发生装置是通过改变圆管水流边界条件来产生螺旋流，即在管段内壁设置具有一定安放角的若干个固定的导流叶片，当水流通过该管段时，水流不仅沿轴向向前运动，而且产生了周向运动，二者的合运动便形成了螺旋流。但是缺点也比较多：安装精度要求较高，螺旋流的强度有待于提高，能耗较高，衰减较快，对外界依赖性较强，而且对气液两相流体来说，参混效果不理想（阿尔格弗雷·A. H., 比哈德瓦·R. K., 饶·YVN. 管内衰减螺旋流的湍流测量研究. 应用科学研究, 1988, Vol. 45,233～250.以及内贾德·A. S, 阿麦德·S. A.不同螺旋强度分布下轴对称突然胀大管内流场特性研究. 国际热与流体流动, 1992, Vol. 13, No. 4，314～321.）。另外，管型喷嘴的方式也可以产生螺旋流，即通过切向进流的方式产生周向速度，和轴向速度叠加产生螺旋流，但是其缺点在于结构复杂、需经常维护、需要保证喷嘴的位置参数（奇格尔·N. A, 茜文斯基·A. 喷气式飞机上螺旋涡流运动的实验研究. 应用力学学报, 1967, Vol. 34, 443～451.以及森派如·E. M, 卡波可·A. 圆管内螺旋流动与热传递研究. 国际传热, 1984, Vol. 106, 766～773．）。因此，上述方法并不能满足实际气液两相起旋的要求。

此外，还有其他的螺旋流发生装置。1990年，日本白百合女子大学的Kiyoshi Horii教授提出了一种自生成螺旋流发生装置，发明者是利用的空气作为流动介质，在雷诺数分别为1.0×10⁵和1.6×10⁵两种条件下，通过轴对称面内小孔径向向心射入的进流方式用粒子显示出螺旋流的存在，并获得了法国专利（No. 0456931)与美国专利(No. 4721126)（浩瑞·K, 马斯逖姆·Y., 陈·X. M., 泰克·M., 哈斯摩特·B. 螺旋流研究之三：螺旋流形式下纤维的开放与取向研究, 日本航空航天研究, 1990a, 32(98)），但是结构复杂，安装困难，不利于实验环境和工程上的应用。并且产生的螺旋流周向速度小，螺旋流不稳定而且衰减较快，对于气液两相流体来说起旋与参混效果不高。因此，上述方法也不满足要求。

申请号为200910022760.1的发明专利“用在油气输送管道上的轴流式流体涡流发生器”涉及一种油气混合物流体的输送装置，用在油气输送管道上的轴流式流体涡流发生器，由进口端、外壳、出口端连接成一体；在外壳内有一组由进口导流锥、螺旋叶片、中间体、出口导流锥连接而成的装置；螺旋叶片内端固定在中间体上，外端固定在外壳上。此发明能使混合物流体在管道内以螺旋和分层的方式流动，适用于管道内的石蜡和结垢沉积量的输送，也利于清理结蜡积垢，但是该发明应用范围较小，而且结构较复杂，不满足实验室理论研究的要求，并且该发明不利于气液两相流体的起旋和参混。申请号为00210654.X的实用新型专利“液体旋流发生器”涉及一种用于石油钻井工程固井作业的井下工具。该装置由本体及焊接在其上的导向槽和与导向槽相嵌装的旋流导向带以及固定螺栓组成。适于在循环及注替水泥浆过程中，使流体产生螺旋流动状态，达到确保大井径和井径不规则井段封固质量的目的。但是该装置焊接难度大，安装困难，并且体积较大，对流体流量影响较大。申请号为200620068646.4的实用新型专利“涡旋发生器”提供了一种涡旋发生器，包括圆钢管、圆钢和四块螺旋叶片，四块螺旋叶片按同一旋向使其一端均布在圆钢的周围、另一端设置在圆钢管的内壁上，螺旋叶片与圆钢的轴向成45°。适于磨煤喷粉机中煤粉流与空气的充分混合。但是此发明没有解决安装问题，螺旋效果不明显，而且不适用于气液两相的螺旋流的产生。

鉴于以上种种问题，本发明的叶轮式螺旋流发生装置解决了以下几大难题：1．采用新型的叶轮式起旋，螺旋效果好，流态衰减慢。2．叶轮部件上面设置有过流孔以及锯齿形后缘，有利于气液两相之间的螺旋与参混。3．做成特定的管段形式，使整体易于安装。4．将固定圆环与叶轮连接，方便具有不同参数的叶轮的安装与更换。5．在叶轮中部安装有锥型体，以利于不同流体之间的参混和密度较大流体的通过。6．不需要添加其他的耗能设备。7．适用于十分广的关于螺旋流的实验和实际工程领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用叶轮产生螺旋流的管道内气液两相螺旋流发生装置，该装置螺旋效果好、流态衰减慢和适用范围广。

本发明的技术方案：一种管道内气液两相螺旋流发生装置，包括螺旋流发生器（2）和安装管段，所述螺旋流发生器（2）由导流体（6）、固定圆环（8）和三支相同的叶片（14）和组成，所述叶片（14）的总体外部轮廓为螺旋桨叶型，其内侧间隔均匀的固定在导流体（6）上，外侧固定于固定圆环（8）内侧；所述叶片（14）与导流体（6）横截面存在夹角α；所述叶片（14）上设置有以导流体（6）为中心均匀分布的圆弧型导流板（12）；所述导流体（6）由锥体（7），圆柱体（9）和半球体（10）依次组合而成；所述安装管段由管型形外壳（3）组成，螺旋流发生器（2）安装在所述安装管段的进口端（1）位置，所述导流体（6）的锥体（7）朝向所述进口端（1）一侧。

进一步，所述导流板（12）高5-20mm，其与叶片(14)的夹角γ为90°-110°。

进一步，所述叶片（14）上设有圆形过流孔（13），其分布在半径为R2的圆周上，且满足R1:R2:R3=1:2:3,其中R1为导流体（6）最大截面半径，R3为固定圆环（8）内径。

进一步，所述叶片（14）上设有锯齿状后缘（15）。

进一步，所述夹角α为10°-30°。

进一步，所述锥体（7）、圆柱体（9）和半球体（10）的轴向长度之比为2:3:1。

本发明的有益效果：采用叶片与固定圆环相结合的方式，使流体的螺旋效果好，流态衰减慢，节省能耗；叶轮部件上面设置有过流孔以及锯齿形后缘，有利于气液两相之间的螺旋与参混；采用进口端为锥体的导流体，便于不同流体之间的参混和密度较大流体的通过；采用管型安装设备便于与其他设备的连接，其结构简单，适用范围广。

附图说明

图1 叶轮式气液两相螺旋流发生装置安装截面图；

图2 螺旋流发生器主视示意图；

图3 图2中锯齿状后缘的局部放大图；

图4 图2中A-A局部放大图；

图5图2中B-B局部放大图；

其中：1 －进口端；2－螺旋流发生器；3－外壳；4－螺栓孔；5－出口端；6－导流体；7－锥体；8－固定圆环；9－圆柱体；10－半球体；11－叶轮；12 －导流板；13－过流孔；14－叶片；15－锯齿状后缘。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明由螺旋流发生器2和安装管段组成。螺旋流发生器包括固定圆环8、叶轮11和导流体6；叶轮11由三支相同的叶片14组成，固定圆环8和叶片14通过焊接进行连接，叶片14的总体外部轮廓为螺旋桨叶型，三支叶片以120°的间隔均匀焊接在导流体上，如图4所示，叶片14平面与导流体6横截面夹角α为20°。叶片上面设置有导流板12、过流孔13和锯齿状后缘15；导流板12为圆弧型，以导流体6为中心均匀分布在叶片14上，各导流板12之间的距离h均相等，导流板12高度是5mm，每片叶片14上分布数量为2个，如图5所示，导流板12与叶片14夹角γ为90°；过流孔13是圆形，其分布在半径为R2的圆周上，并且R1、R2和R3的长度之比为1:2:3（其中R1为导流体6最大截面半径，R3为固定圆环8内径），每个叶片14上的分布数量为2个，过流孔直径为10mm；如图3所示，锯齿状后缘15是锯齿为等边三角形，其边的长度范围是5mm，锯齿的夹角β为60°。导流体6由锥体7、圆柱体9和半球体10依次连接而成，三者轴向长度之比为2:3:1，半球体10半径与固定圆环8高度相同，锥体7底面半径、圆柱体9底面半径以及半球体10半径均相同，半球体10半径范围是10cm，锥体7高度与锥体7底面直径相同。在导流体6中圆柱体9中点处与叶片之间进行连接，连接方式为焊接，强度高，利于多相流甚至水合物浆体的输送。安装设备由进口端1、外壳3和出口端5组成。外壳3为管型，其进口端1和出口端3设有螺栓孔4，便于进行安装；在外壳3的进口端1的一侧管型内径稍大，螺旋流发生器2安装于该位置，其导流体6的锥体7朝向进口端1一侧。

在安装时，首先将螺旋流发生器2安装在进口端1处。然后将装置整体安装在实验管段上或者实际工程管段中。当流体通过该装置时，流体在螺旋桨叶的作用下产生周向速度，该速度与轴向速度合成之后，螺旋流即出现。而叶片上导流板12、过流孔13和锯齿状后缘15都将会增强对气液两相流体的扰动，提高螺旋的强度以及气液两相之间的参混度。另外，当对含有固液两相的流体起旋以及运输时，导流体6中锥体7的作用是对固体流体撞击而进行粉碎，而导流板12则起到加强固体流动的作用，锯齿状后缘15可进一步粉碎固体，而较小的固体则可通过过流孔13流入，减轻流体对装置的冲击。

此螺旋流发生装置安装简单方便，螺旋效果明显，适用于管道内气液两相流体的输送等。

Claims

1. 一种管道内气液两相螺旋流发生装置，包括螺旋流发生器（2）和安装管段，所述螺旋流发生器（2）由导流体（6）、固定圆环（8）和三支相同的叶片（14）和组成，所述叶片（14）的总体外部轮廓为螺旋桨叶型，其内侧间隔均匀的固定在导流体（6）上，外侧固定于固定圆环（8）内侧；所述叶片（14）与导流体（6）横截面存在夹角α；所述叶片（14）上设置有以导流体（6）为中心均匀分布的圆弧型导流板（12）；所述导流体（6）由锥体（7），圆柱体（9）和半球体（10）依次组合而成；所述安装管段由管型外壳（3）组成，螺旋流发生器（2）安装在所述安装管段的进口端（1）位置，所述导流体（6）的锥体（7）朝向所述进口端（1）一侧。

2. 根据权利要求1所述的一种管道内气液两相螺旋流发生装置，所述导流板（12）高5-20mm，其与叶片(14)的夹角γ为90°-110°。

3. 根据权利要求1所述的一种管道内气液两相螺旋流发生装置，所述叶片（14）上设有圆形过流孔（13），其分布在半径为R2的圆周上，且满足R1:R2:R3=1:2:3,其中R1为导流体（6）最大截面半径，R3为固定圆环（8）内径。

4. 根据权利要求1所述的一种管道内气液两相螺旋流发生装置，所述叶片（14）上设有锯齿状后缘（15）。

5. 根据权利要求1所述的一种管道内气液两相螺旋流发生装置，所述夹角α为10°-30°。

6. 根据权利要求1所述的一种管道内气液两相螺旋流发生装置，所述锥体（7）、圆柱体（9）和半球体（10）的轴向长度之比为2:3:1。