CN103394245B - 一种超音速汽液两相分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超音速汽液两相分离装置，其特征在于，包括矩形截面的缩放喷管，该缩放喷管的出口连接一个分离流道管的进口，分离流道管的出口连接矩形截面的扩压管，分离流道管中有一个分离流道，该分离流道由一小段水平段与一大段倾斜段相连而成，水平段与倾斜段夹角为135°～175°，分离流道倾斜段下方通过渗水装置与一个疏水收集装置相连接。本装置中热力学过程只涉及流体自身能量的转化，不需要外界能量输入，具有结构简单，无活动部件，制造成本低，使用寿命长的特点。

Description

一种超音速汽液两相分离装置

技术领域

本发明涉及一种汽轮机湿蒸汽汽液分离装置。

背景技术

大功率火电汽轮机特别是核电汽轮机与核动力舰用汽轮机的动叶水蚀非常严重，湿蒸汽的存在明显降低了汽轮机的通流效率并影响汽轮机的安全经济运行。有效去除汽轮机湿蒸汽中的水分，防止或减轻动叶水蚀和湿汽损失是保证汽轮机安全可靠高效运行的关键技术之一。

蒸汽以超音速绕外折直壁流动，当壁面几何折角较小时，在两直壁交界处汽流侧会产生膨胀波系，可以将该波系看成一条集中的膨胀波，汽流经过该膨胀波后转向，膨胀波后气流方向与波前汽流方向交角与壁面几何折角等值。当汽流中夹带一定粒径并被尽可能加速的液滴，汽流经过膨胀波系之后，汽流按照波后汽流折角等于壁面几何折角的规律转向，而液滴由于运动惯性沿着接近直线的轨迹运动，就实现了液滴与汽流的分离。

目前广泛应用的汽水分离装置主要是波纹板分离器和回旋叶片式分离器或旋风分离器结合的方式。湿蒸汽首先经过回旋叶片式分离器或旋风分离器进行预分离，两相流体随后流入波纹板分离器，流体在流动过程中附着在波纹板上被捕集，干蒸汽随后流出波纹板分离器。经过对进入分离器进口蒸汽的光学测量显示大部分抵达分离器的水珠直径均大于10微米，而对汽轮机安全运行产生威胁的主要是粒径在50～400微米的水滴，小于50微米的水滴仅仅影响汽轮机的通流效率。现有的分离可以实现微米粒径尺度下的液滴高效分离，但是经回旋叶片式分离器或旋风分离器后的预分离效率不高，并且能量损失较大，波纹板分离器需要大量钢制波纹板，对钢材的消耗量比较大，结构也相对复杂，易出现腐蚀，还存在流动阻力较大和局部速度易出现超速的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于汽轮机湿蒸汽级汽水高效分离的超音速汽液两相分离装置。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种超音速汽液两相分离装置，其特征在于，包括矩形截面的缩放喷管，该缩放喷管的出口连接一个分离流道管的进口，分离流道管的出口连接矩形截面的扩压管，所述分离流道管中有一个分离流道，该分离流道由一小段水平段与一大段倾斜段相连而成，水平段与倾斜段夹角为135°～175°，分离流道倾斜段下方通过渗水装置与一个疏水收集装置相连接。

上述方案中，所述的渗水装置包括在倾斜段下方壁面开有一个长方形的通孔，将一个形状与所述长方形通孔相吻合的多孔介质板插入并固定在该长方形通孔内，使多孔介质板上面形成分离流道内倾斜段的下壁面，再在多孔介质板下面连接疏水收集装置。

所述分离流道管进口与缩放喷管的连接、分离流道管出口与扩压管的连接均采用法兰密封连接形式。

本发明与现有技术相比，其优点是，对影响汽轮机安全稳定运行的直径为50～400微米的水滴去除效率可达100%，对大于10微米小于50微米的水滴去除效率可达90%以上。由于流动过程中动能损失主要转化为热能对蒸汽进行加热，因此蒸汽的总焓损失很小，当进口马赫数为2.0时总焓损失仅为进口总焓的1.5%左右。本装置中热力学过程只涉及流体自身能量的转化，因此不需要外界能量输入。另外，本发明具有结构简单，无活动部件，制造成本低，使用寿命长的特点。

附图说明

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

图1为本发明分离装置组成简图。

图2为图1分离流道剖视图。

图1、图2中：1为缩放喷管，2为分离流道管，3为扩压管，4为疏水收集装置，5为疏水阀，6为连接法兰，7为分离流道，8为多孔介质板，9为排水管。

具体实施方式

参照图1所示，一种超音速汽液两相分离装置，包括矩形截面的缩放喷管1，缩放喷管的进口与需要进行汽水分离的汽轮机再热冷端或抽汽口连接，出口连接一个不锈钢钢板焊接而成的分离流道管2的进口，分离流道管的出口连接矩形截面的扩压管3，将一个带疏水阀5的疏水收集装置4连接在分离流道管的下方，扩压管的出口与再热器或其他设备相连。

分离流道管2的细节见图2，包括分离流道7，该分离流道由一小段水平段与一大段倾斜段相连而成，水平段与倾斜段夹角（流道轴线的偏转角）为135°～175°，对应每一个缩放喷管出口参数都可以计算出汽相速度的偏转角，其应与分离流道水平段与倾斜段夹角相等。由本装置的分离原理可知，汽相与液相速度偏转角之差越大，分离效果越好，液相速度偏转角在一定的速度范围内变化不大，因此对应一个缩放喷管出口参数有一个汽相速度偏转角的最优值，即汽相速度最大偏转角。汽相速度最大偏转角的计算方法如下：根据实际缩放喷管进口汽流参数和缩放喷管参数计算缩放喷管出口汽流马赫数M₁，由缩放喷管出口汽流马赫数，湿蒸汽绝热指数γ根据式（1）计算冲波角β的极大值β_m，再将β_m作为β的值代入式（2），所得的tanδ_w对应的δ_w即为所求的汽相速度的最大偏转角。该偏转角即为分离流道水平段与倾斜段夹角。

${\mathrm{\β}}_m=\arcsin \left\{\sqrt{\frac{1}{\mathrm{\γ}{M}_1^2}[\frac{\mathrm{\γ}+1}{4}{M}_1^2-1+\sqrt{(1+\mathrm{\γ})(1+\frac{\mathrm{\γ}-1}{2}{M}_1^2+\frac{\mathrm{\γ}+1}{16}{M}_1^4}]}\right\}$    （1）

${\tan \mathrm{\δ}}_w=\frac{M_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}-1}{\tan \mathrm{\β}[M_1^2(\frac{\mathrm{\γ}+1}{2}-{\sin }^2\mathrm{\β})+1]}$    （2）

水平段前端、倾斜段后端分别与连接法兰6相连，在分离流道倾斜段下方壁面铣出一个长方形的通孔，通孔长边长度根据倾斜段夹角和缩放喷管出口参数计算获得；将一个形状与长方形通孔相吻合的多孔介质板8插入该长方形通孔内，使多孔介质板8上面形成分离流道内的下壁面，在多孔介质板8插入分离流道的长方形通孔后，再在多孔介质板8下面连接疏水收集装置4；疏水收集装置通过排水管9与疏水阀5相连，将疏水引出装置。

本发明的工作原理是利用缩放喷管1将高温高压蒸汽的压能转换成速度能，将两相蒸汽加速到超音速工况，超音速汽流进入分离流道管2内，汽相部分在斜冲波后由于速度偏转角度与流道轴线偏转角一致，故沿流道轴线方向流出，至扩压管3内升压降速流出分离装置；液相部分在分离流道管2中由于速度偏转角度小于通道轴线的偏转角，因此继续前进，导致其撞击在分离流道内多孔介质板8的壁面上，液滴由多孔介质壁面渗入，经多孔介质板壁面渗入疏水收集装置4并由排水管道和疏水阀5流出装置。排水管道内气压与流道内保持一致，避免蒸汽泄露入排水系统。

装置内形成一个在流动方向上先渐缩再扩张，随后偏折一个角度，最后扩张的矩形截面流道。

Claims (1)

1.一种超音速汽液两相分离装置，其特征在于，包括矩形截面的缩放喷管，该缩放喷管的出口连接一个分离流道管的进口，分离流道管的出口连接矩形截面的扩压管，所述分离流道管中有一个分离流道，该分离流道由一小段水平段与一大段倾斜段相连而成，水平段与倾斜段夹角为135°～175°，分离流道倾斜段下方通过渗水装置与一个疏水收集装置相连接；所述的渗水装置包括在倾斜段下方壁面开有一个长方形的通孔，将一个形状与所述长方形通孔相吻合的多孔介质板插入并固定在该长方形通孔内，使多孔介质板上面形成分离流道内倾斜段的下壁面，再在多孔介质板下面连接疏水收集装置。