CN110665657B - 一种旋流室自旋式水力旋流器 - Google Patents

Abstract

一种旋流室自旋式水力旋流器。包括切向入口、腔室、旋转筒、溢流管以及底流管、柱状壳体、动叶片、动叶片旋转腔、出口段轴承、稳流锥、转速调节螺钉、摩擦片、助旋体、入口段轴承、迷宫密封结构、缩口段、入口段壳体、旋转盘、出口端盖、连接轴、柱形孔、密封圈、推力轴承、连接片及定叶片；旋转筒，设置于柱状壳体的内部，并与柱状壳体同轴布置；助旋体均匀布置于旋转筒的内壁处；迷宫密封结构设置于旋转筒与柱状壳体之间并靠近缩口段处；旋转筒、连接片、稳流锥、连接轴、旋转盘及动叶片顺次呈同轴刚性连接；旋转筒、助旋体、连接片及稳流锥位于腔室内部；旋转盘及动叶片位于动叶片旋转腔内部。具有分离效率高、结构紧凑及投资少等优点。

Description

一种旋流室自旋式水力旋流器

技术领域

本发明涉及一种应用于石油、化工以及环保等领域中的水力旋流器，用于对具有密度差的两相不互溶介质进行分离。

背景技术

目前，用于多相不互溶介质的快速分离方法主要有过滤、气浮选、膜分离和旋流分离等。相比于其他类型分离方法，采用离心分离原理的水力旋流器具有结构紧凑且快速分离的优点，可以满足多领域对经济性及环保性的要求。旋流分离器在石油开采、化工、食品加工、环境保护等涉及到不互溶多相介质分离的领域均获得了一定应用。在油田采出液分离领域，随着油田开发逐渐进入中高含水开采期，采用水力旋流器的油水分离工艺在陆上及海上油田生产过程中所占据的地位日益凸显。随着油田采出液含油量的逐年下降，分离难度的逐年增加，对水力旋流器的分离性能提出了更高的要求。

水力旋流器的分离原理是利用不互溶介质间的密度差进行离心分离，分散相所受到的径向迁移力越大，越有利于不同介质间的分离。分散相所受到的径向迁移力大小与其自身密度、粒径大小及切向旋转速度等因素有关。在待分离多相介质物性参数确定情况下，可通过合理增大切向旋转速度提高分散相所受到的径向迁移力，从而提高旋流分离效率。在常规水力旋流器内部，沿着径向方向的切向速度分布存在较大差异，即在靠近中心区域（称为内部强制涡），切向速度随着半径的增大成线性增大。而在内部强制涡的外侧区域（称为外部自由涡），切向速度随着半径的增大而迅速减小。可见，在强制涡及自由涡的内部，存在相对较大的区域具有较小的切向速度，这将使位于这部分区域的分散相所受到的径向迁移力减小，制约了水力旋流器分离效率的进一步提高。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种旋流室自旋式水力旋流器,该装置仅靠液流在水力旋流器内部的自身推力驱动旋转筒及助旋体实现高速旋转，并带动其附近的旋转液流进行加速旋转，从而最大程度上增大外部自由涡液流的切向速度，并进一步带动与其相邻的内部强制涡液流切向速度的增大，有利于增大旋流器各区域内促进多相介质分离的径向迁移力。具有分离效率高、结构紧凑及投资少等优点。

本发明的技术方案是：该种旋流室自旋式水力旋流器，包括切向入口、腔室、旋转筒、溢流管以及底流管、柱状壳体、动叶片、动叶片旋转腔、出口段轴承、稳流锥、转速调节螺钉、摩擦片、助旋体、入口段轴承、迷宫密封结构、缩口段、入口段壳体、旋转盘、出口端盖、连接轴、柱形孔、密封圈、推力轴承、连接片及定叶片。

其中，所述的入口段壳体、缩口段、柱状壳体、定叶片及出口端盖顺次相接；所述动叶片旋转腔套设于柱状壳体的一端及定叶片和出口端盖上；在所述动叶片旋转腔的上端设置底流管，底流管与动叶片旋转腔连接并连通。

所述的旋转筒，设置于柱状壳体的内部，并与柱状壳体同轴布置；所述助旋体均匀布置于旋转筒的内壁处；所述助旋体为多个细长棱柱结构。

所述迷宫密封结构设置于旋转筒与柱状壳体之间并靠近缩口段处。

所述的旋转筒、连接片、稳流锥、连接轴、旋转盘及动叶片顺次呈同轴刚性连接；所述连接片沿着圆周方向均匀布置3个，在每个相邻连接片之间形成液流通道；所述动叶片固定安装于旋转盘上；所述动叶片与定叶片的叶片旋向相同。

所述旋转筒、助旋体、连接片及稳流锥位于腔室内部；所述连接轴穿过位于出口端盖中心处的柱形孔；所述旋转盘及动叶片位于动叶片旋转腔内部。

所述的入口段轴承与出口段轴承分别位于旋转筒与柱状壳体所形成的环形空间的上端和下端；所述入口段轴承与出口段轴承的内侧钢圈紧固于旋转筒的外壁处，入口段轴承与出口段轴承的外侧钢圈紧固于柱状壳体的内壁处。

所述推力轴承位于稳流锥与出口端盖之间；所述推力轴承的上端钢圈固定于稳流锥的底部，推力轴承的下端钢圈固定于出口端盖上。

所述转速调节螺钉及摩擦片对称安装于柱状壳体上；所述转速调节螺钉穿过柱状壳体并与摩擦片固定连接。

本发明具有如下有益效果：首先，本发明通过旋转筒及助旋体的旋转，实现增大靠近旋转筒区域的液流切向速度的目的，从而大幅增大油滴所受到的向中心区域的整体径向迁移力，提高分离效率。其次，旋转筒及助旋体的旋转不依赖外界动力传动，仅靠液流在水力旋流器内部的自身推力驱动旋转筒及助旋体实现高速旋转，具有系统集成性强、结构紧凑及成本低的优点，既可应用于油田生产，又可应用于市政环保等其它领域，具有可观的推广应用前景。

附图说明：

图1为本发明所述水力旋流器的沿轴向剖面结构示意图。

图2为本发明所述水力旋流器的侧视图。

图3为本发明所述水力旋流器的立体图。

图4为本发明所述水力旋流器的顶视图。

图5为本发明所述水力旋流器的稳流锥立体图。

图6为本发明所述水力旋流器动叶片三维结构图。

图7为本发明所述水力旋流器的B-B向剖面结构示意图。

图8为本发明所述水力旋流器的助旋体布置示意图。

图9为本发明所述水力旋流器的局部放大图I。

图10为本发明所述水力旋流器的原理图。

图11为常规水力旋流器的旋流室内切向速度分布示意图。

图12为本发明所述水力旋流器的切向速度分布示意图。

图中1-动叶片，2-动叶片旋转腔，3-出口段轴承，4-柱状壳体，5-稳流锥，6-腔室，7-转速调节螺钉，8-摩擦片，9-助旋体，10-旋转筒 ，11-入口段轴承，12-迷宫密封结构，13-切向入口，14-口段，15-入口段壳体，16-溢流管，17-底流管，18-旋转盘，19-出口端盖，20-连接轴，21-柱形孔，22-密封圈，23-推力轴承，24-液流通道，25-连接片，26-定叶片。

具体实施方式：

具体实施时，所述切向入口沿着切向方向布置于入口段壳体上；所述溢流管设置于入口段壳体的中心处，并伸入入口段壳体的内部。所述入口段壳体、缩口段、柱状壳体、定叶片及出口端盖顺次相接；所述动叶片旋转腔套设于柱状壳体的一端及定叶片和出口端盖上；在所述动叶片旋转腔的上端设置底流管，底流管与动叶片旋转腔连接并连通。所述腔室由入口段壳体、缩口段、柱状壳体、定叶片及出口端盖所围设的空间组成。所述旋转筒设置于柱状壳体的内部，并与柱状壳体同轴布置；所述助旋体均匀布置于旋转筒的内壁处；所述助旋体为多个细长棱柱结构；所述多个助旋体所围成圆形的内径与缩口段的小直径相同。所述迷宫密封结构设置于旋转筒与柱状壳体之间并靠近缩口段处；所述迷宫密封结构用以防止由切向入口喷入的部分油水混合物未经旋流分离，直接通过缩口段与旋转筒之间形成的环形缝隙流入腔室。所述助旋体均匀布置于旋转筒的内壁处；所述助旋体为多个细长棱柱结构。所述旋转筒、连接片、稳流锥、连接轴、旋转盘及动叶片顺次呈同轴刚性连接；所述连接片沿着圆周方向均匀布置3个，在每个相邻连接片之间形成液流通道；所述动叶片固定安装于旋转盘上；所述动叶片与定叶片的叶片旋向相同。所述稳流锥的设置有利于补充液流在旋转过程中的能量损失，从而提高旋流速度及促进具有密度差的不互溶两相介质间的分离。所述旋转筒、助旋体、连接片及稳流锥位于腔室内部；所述连接轴穿过位于出口端盖中心处的柱形孔；所述旋转盘及动叶片位于动叶片旋转腔内部。所述入口段轴承与出口段轴承分别位于旋转筒与柱状壳体所形成的环形空间的上端和下端；所述入口段轴承与出口段轴承的内侧钢圈紧固于旋转筒的外壁处，入口段轴承与出口段轴承的外侧钢圈紧固于柱状壳体的内壁处。所述推力轴承位于稳流锥与出口端盖之间；所述推力轴承的上端钢圈固定于稳流锥的底部，推力轴承的下端钢圈固定于出口端盖上。通过入口段轴承、出口段轴承及推力轴承的设置能够使旋转筒、助旋体、连接片、稳流锥、连接轴、旋转盘及动叶片整体在腔室及动叶片旋转腔内绕轴旋转。

所述两个转速调节螺钉及两个摩擦片对称安装于柱状壳体上；所述转速调节螺钉穿过柱状壳体并与摩擦片固定连接；通过旋转转速调节螺钉，可以调节摩擦片与旋转筒间的接触面积，从而调整旋转筒所受到的摩擦力大小，起到调节旋转筒转速的作用；转速调节螺钉及摩擦片采用对称布置，确保旋转筒受到对称的摩擦力作用，避免旋转筒旋转过程中的偏心震动。所述密封圈设置于连接轴与柱形孔间形成的环形空间，用以密封出口端盖。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本种旋流室自旋式水力旋流器，包括动叶片1、动叶片旋转腔2、出口段轴承3、柱状壳体4、稳流锥5、腔室6、转速调节螺钉7、摩擦片8、助旋体9、旋转筒10、入口段轴承11、迷宫密封结构12、切向入口13、缩口段14、入口段壳体15、溢流管16、底流管17、旋转盘18、出口端盖19、连接轴20、柱形孔21、密封圈22、推力轴承23、液流通道24、连接片25及定叶片26。

如图1至图4所示，所述切向入口13沿着切向方向布置于入口段壳体15上；所述溢流管16设置于入口段壳体15的中心处，并伸入入口段壳体15的内部。

如图1至图4所示，所述入口段壳体15、缩口段14、柱状壳体4、定叶片26及出口端盖19顺次相接；所述动叶片旋转腔2套设于柱状壳体4的一端及定叶片26和出口端盖19上；在所述动叶片旋转腔2的上端设置底流管17，底流管17与动叶片旋转腔2连接并连通。

如图1所示，所述腔室6由入口段壳体15、缩口段14、柱状壳体4、定叶片26及出口端盖19所围设的空间组成。

如图1及图8所示，所述旋转筒10设置于柱状壳体4的内部，并与柱状壳体4同轴布置；所述助旋体9均匀布置于旋转筒10的内壁处；所述助旋体9为多个细长棱柱结构；所述多个助旋体9所围成圆形的内径与缩口段14的小直径相同。

如图1所示，所述迷宫密封结构12设置于旋转筒10与柱状壳体4之间并靠近缩口段14处；所述迷宫密封结构12用以防止由切向入口13喷入的部分油水混合物未经旋流分离，直接通过缩口段14与旋转筒10之间形成的环形缝隙流入腔室6。

如图1及图5至图7所示，所述旋转筒10、连接片25、稳流锥5、连接轴20、旋转盘18及动叶片1顺次呈同轴刚性连接；所述连接片25沿着圆周方向均匀布置3个，在每个相邻连接片25之间形成液流通道24；所述动叶片1固定安装于旋转盘18上；所述动叶片与定叶片的叶片旋向相同。

如图1及图5所示，所述稳流锥5的设置有利于补充液流在旋转过程中的能量损失，从而提高旋流速度及促进具有密度差的不互溶两相介质间的分离。

如图1所示，所述旋转筒10、助旋体9、连接片25及稳流锥5位于腔室6内部；所述连接轴20穿过位于出口端盖19中心处的柱形孔21；所述旋转盘18及动叶片1位于动叶片旋转腔2内部。

如图1所示，所述入口段轴承11与出口段轴承3分别位于旋转筒10与柱状壳体4所形成的环形空间的上端和下端；所述入口段轴承11与出口段轴承3的内侧钢圈紧固于旋转筒10的外壁处，入口段轴承11与出口段轴承3的外侧钢圈紧固于柱状壳体4的内壁处。

如图1所示，所述推力轴承23位于稳流锥5与出口端盖19之间；所述推力轴承23的上端钢圈固定于稳流锥5的底部，推力轴承23的下端钢圈固定于出口端盖19上。通过入口段轴承11、出口段轴承3及推力轴承23的设置能够使旋转筒10、助旋体9、连接片25、稳流锥5、连接轴20、旋转盘18及动叶片1整体在腔室6及动叶片旋转腔2内绕轴旋转。

如图1至图4所示，所述两个转速调节螺钉7及两个摩擦片8对称安装于柱状壳体4上；所述转速调节螺钉7穿过柱状壳体4并与摩擦片8固定连接；通过旋转转速调节螺钉7，可以调节摩擦片8与旋转筒10间的接触面积，从而调整旋转筒所受到的摩擦力大小，起到调节旋转筒转速的作用；转速调节螺钉7及摩擦片8采用对称布置，确保旋转筒受到对称的摩擦力作用，避免旋转筒10旋转过程中的偏心震动。

如图1所示，所述密封圈22设置于连接轴20与柱形孔21间形成的环形空间，用以密封出口端盖19。

应用本种旋流器，处理液（以油水混合物为例）由切向入口进入，首先流入入口段壳体与旋转筒形成的空间内，并在入口段壳体与旋转筒内形成高速旋转流。油水两相在高速旋转过程中，密度较大的水相受较大的离心力作用，而油相密度小，受到的离心力较小，从而形成使低密度油滴向中心区域运移的径向迁移力，使油滴逐渐向中心区域聚集，并由位于中心区域的溢流管向上流出。密度较大的水相受较大的离心力作用，逐渐被甩向旋转筒的壁面区域，并沿着旋转筒的壁面向下流动，向下流动的液流（富水相）依次流经液流通道及定叶片，而后与动叶片相遇，并沿着动叶片旋转腔向上流动，最终由底流管流出。

在富水相液流流经定叶片后，受定叶片的导向作用，将使富水相液流沿着与旋转筒接近相切的方向高速喷出，而后高速喷出的液流直接撞击旋转盘及位于其上的动叶片，从而产生使旋转盘旋转的切向力矩，推动旋转盘高速旋转。旋转盘在高速旋转过程中将通过连接轴，带动稳流锥、连接片、旋转筒及助旋体持续高速旋转。助旋体的高速旋转将同时带动位于外部自由涡的液流进行加速旋转，使该区域的液流切向速度大幅增加，从而增大低密度油滴向中心区域运移的径向迁移力，促进油水两相间的快速及高效分离。

对于具有不同物性参数（分散相粒径、两相间的密度差等）的处理液而言，可通过旋转转速调节螺钉来调节旋转筒的旋转速度，从而得出最高旋流分离效率下的最优旋转筒旋转速度，最终实现对具有不同物性参数处理液的高效分离。具体的，通过旋转转速调节螺钉，在增大摩擦片与旋转筒间的接触面积时，将使旋转筒在旋转过程中所受到的摩擦力增大，从而降低旋转筒的转速。在减小摩擦片与旋转筒间的接触面积时，将使旋转筒在旋转过程中所受到的摩擦力减小，从而增大旋转筒的转速。

Claims (1)

1.一种旋流室自旋式水力旋流器，包括切向入口（13）、腔室（6）、旋转筒（10）、溢流管（16）以及底流管（17），其特征在于：所述水力旋流器还包括柱状壳体（4）、动叶片（1）、动叶片旋转腔（2）、出口段轴承（3）、稳流锥（5）、转速调节螺钉（7）、摩擦片（8）、助旋体（9）、入口段轴承（11）、迷宫密封结构（12）、缩口段（14）、入口段壳体（15）、旋转盘（18）、出口端盖（19）、连接轴（20）、柱形孔（21）、密封圈（22）、推力轴承（23）、连接片（25）及定叶片（26）；

其中，所述的入口段壳体（15）、缩口段（14）、柱状壳体（4）、定叶片（26）及出口端盖（19）顺次相接；所述动叶片旋转腔（2）套设于柱状壳体（4）的一端及定叶片（26）和出口端盖（19）上；在所述动叶片旋转腔（2）的上端设置底流管（17），底流管（17）与动叶片旋转腔（2）连接并连通；

所述的旋转筒（10），设置于柱状壳体（4）的内部，并与柱状壳体（4）同轴布置；所述助旋体（9）均匀布置于旋转筒（10）的内壁处；所述助旋体（9）为多个细长棱柱结构；

所述迷宫密封结构（12）设置于旋转筒（10）与柱状壳体（4）之间并靠近缩口段（14）处；

所述的旋转筒（10）、连接片（25）、稳流锥（5）、连接轴（20）、旋转盘（18）及动叶片（1）顺次呈同轴刚性连接；所述连接片（25）沿着圆周方向均匀布置3个，在每个相邻连接片（25）之间形成液流通道（24）；所述动叶片（1）固定安装于旋转盘（18）上；所述动叶片（1）与定叶片（26）的叶片旋向相同；

所述旋转筒（10）、助旋体（9）、连接片（25）及稳流锥（5）位于腔室（6）内部；所述连接轴（20）穿过位于出口端盖（19）中心处的柱形孔（21）；所述旋转盘（18）及动叶片（1）位于动叶片旋转腔（2）内部；

所述的入口段轴承（11）与出口段轴承（3）分别位于旋转筒（10）与柱状壳体（4）所形成的环形空间的上端和下端；所述入口段轴承（11）与出口段轴承（3）的内侧钢圈紧固于旋转筒（10）的外壁处，入口段轴承（11）与出口段轴承（3）的外侧钢圈紧固于柱状壳体（4）的内壁处；

所述推力轴承（23）位于稳流锥（5）与出口端盖（19）之间；所述推力轴承（23）的上端钢圈固定于稳流锥（5）的底部，推力轴承（23）的下端钢圈固定于出口端盖（19）上；

所述转速调节螺钉（7）及摩擦片（8）对称安装于柱状壳体（4）上；所述转速调节螺钉（7）穿过柱状壳体（4）并与摩擦片（8）固定连接。

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