CN107353957A - 一种渐缩旋流型超声速喷管 - Google Patents

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蒋文明
侯丹阳
刘杨
杨杰
陈明灿
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Abstract

本发明提出一种渐缩旋流型超声速喷管，技术方案：主要包括喷管入口、喷管渐缩段、喷管喉部、喷管渐扩段、喷管出口、位于喷管渐缩段的旋流器等。含有水蒸气、重烃组分的天然气经超声速喷管入口进入喷管渐缩段，气体膨胀，速度逐渐增大，并在亚声速条件下实现旋流，经喉部之后膨胀至超声速，在喷管内低温低压的环境下，其中的水蒸气和重烃组分凝成液滴，在旋流气体的带动下受到巨大离心力被甩至超声速喷管壁面，在后续工序中被收集，从而实现气液分离。有益效果是：结构简单，但能够同时实现液滴凝结与旋流的目的，相较于结构复杂超声速旋流分离器加工十分方便，可代替传统的超声速分离器实现天然气的脱水、脱重烃等复杂工艺。

Description

一种渐缩旋流型超声速喷管
技术领域
本发明涉及一种渐缩旋流型超声速喷管，主要应用于天然气中水和重烃组分的脱除，属于天然气加工与处理技术领域。
背景技术
我国的天然气消费量巨大，且正处于急剧增长阶段，进行天然气处理新技术的研究与开发，对于降低我国天然气处理成本，实现天然气加工领域的节能减排，意义重大。
Twister石油公司提出超声速分离技术，但是受限于当时气液两相流体力学的发展，对于气液超声速旋流分离技术早期的研究工作都是基于应用和试验研究。国外的关于这项技术的研究机构主要包括壳牌公司、俄罗斯旗下的ENGO旗下的Translang公司、荷兰的埃因霍恩科技大学以及Srork Praduct Engineering公司等。
与国外相比，国内对这方面的相关技术研究较少。江汉机械研究所与有关研究机构合作对超声速旋流分离器的分离特性进行了一系列理论研究工作，根据研究结果推出了关键结构的设计方法喷管、分离叶片及旋流分离段等结构的设计方法。北京工业大学在超声速旋流分离器的研发以及气体在其分离管中的流动特性等方面取得了一些研究成果，相继开展了数值模拟与实验研究工作，通过一系列数值模拟计算以及相关实验的验证，最终提出了关于超声速旋流分离器的结构设计优化方案。此外，中国石油大学(华东)、北京航空航天大学、大连理工大学等单位相继对超声速旋流分离器开展了相关研究工作。
超声速旋流分离器在天然气脱水、脱重烃方面具有良好的技术应用，但是也存在一定的缺陷，问题之一就是结构较为复杂，加工存在难度。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种渐缩旋流型超声速喷管，其技术方案为：主要包括喷管入口、喷管渐缩段、喷管喉部、喷管渐扩段、喷管出口、位于喷管渐缩段的旋流器等。
本发明的特征在于：喷管入口、喷管渐缩段、旋流器、喷管喉部、喷管渐扩段、喷管出口六个部件顺次同轴联接。
旋流器位于超声速喷管渐缩段，与超声速喷管渐缩段内壁面密切配合，在亚声速条件下产生旋流；旋流器的结构为扭曲叶片，扭曲角度为90～360度，既能够保证产生足够的旋流强度，又不至于造成太大的压力损失，在有轴向速度的前提下可以形成切向加速度，为后续离心分离提供动力。
喷管渐缩段采用三次曲线法设计，其曲线方程满足：
上述方程式中，x为喷管轴向距离；rcr为喷管喉部截面半径；r为喷管任意轴向距离x处的截面半径；L为喷管渐缩段长度；Xm为前后两段曲线连接点的相对坐标。采用该线型气体加速性能较好，能够保证流场过渡自然，涡流较小，便于在喷管渐缩段出口获得均匀气流。
天然气在超声速喷管内的流动属于低温范畴，喷管喉部采用真实气体状态BWRS方程对气体热力学性质进行计算，确定气体临界流动参数，然后确定喷管喉部截面积，最后确定喷管喉部直径尺寸。
含有水蒸气、重烃组分的天然气经超声速喷管入口进入喷管渐缩段，气体膨胀，速度逐渐增大，并在亚声速条件下实现旋流，经喉部之后膨胀至超声速，在喷管内低温低压的环境下，其中的水蒸气和重烃组分凝成液滴，在旋流气体的带动下受到巨大离心力被甩至超声速喷管壁面，在后续工序中被收集，从而实现气液分离。
本发明提供的一种渐缩型超声速喷管有益效果是：结构简单，但能够同时实现液滴凝结与旋流的目的，相较于结构复杂超声速旋流分离器加工十分方便，可代替传统的超声速分离器实现天然气的脱水、脱重烃等复杂工艺。
附图说明
图1：本发明提出的一种渐缩旋流型超声速喷管整体结构示意图。
图2：本发明提出的一种渐缩旋流型超声速喷管横截面示意图。
图3：本发明提出的一种渐缩旋流型超声速喷管所采用的旋流器整体结构示意图。
图4：本发明提出的一种渐缩旋流型超声速喷管所采用的旋流器侧视图。
1-喷管入口、2-旋流器、3-喷管渐缩段、4-喷管喉部、5-喷管渐扩段、6-喷管出口。
具体实施方式
现结合附图对作本发明进一步描述：
如图1-2，本发明提出的一种渐缩旋流型超声速喷管，包括喷管入口(1)、旋流器(2)、喷管渐缩段(3)、喷管喉部(4)、喷管渐扩段(5)、喷管出口(6)等。
含有水蒸气、重烃组分的天然气经喷管入口(1)进入喷管渐缩段(3)增速降压，气体膨胀后温度急剧下降，其中的水蒸气和重烃组分凝成液滴，再经过旋流器(2)的旋流作用，形成高速旋流，气体经过喷管喉部(4)后达到声速，之后进入喷管渐扩段(5)达到超声速，旋流产生的巨大离心力将液滴甩至装置内壁面，形成液膜，在后续分离装置中被收集。经以上步骤实现天然气脱水、脱重烃的目的。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (5)

1.一种渐缩旋流型超声速喷管，包括喷管入口(1)、旋流器(2)、喷管渐缩段(3)、喷管喉部(4)、喷管渐扩段(5)、喷管出口(6)等，上述的六个部件顺次同轴联接。
2.根据权利要求1所述的一种渐缩旋流型超声速喷管，其特征在于：所述的旋流器(2)位于喷管渐缩段(3)，与喷管渐缩段(3)内壁面紧密配合，在亚声速条件下产生旋流。
3.根据权利要求1所述的一种渐缩旋流型超声速喷管，其特征在于：所述的旋流器(2)的结构为扭曲叶片，扭曲角度为90～360度，在有轴向速度的前提下可以形成切向加速度，为后续离心分离提供动力。
4.根据权利要求1所述的一种渐缩旋流型超声速喷管，其特征在于：所述的喷管渐缩段(3)采用三次曲线法设计，气体加速性能较好，能够保证流场过渡自然，涡流较小，便于在喷管渐缩段(3)出口获得均匀气流。
5.根据权利要求1所述的一种渐缩旋流型超声速喷管，其特征在于：采用真实气体状态方程BWRS对气体热力学性质进行计算，确定气体临界流动参数，然后确定喷管喉部(4)截面积，最后确定喷管喉部(4)直径尺寸。
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