CN110665658B - 一种溢流管自旋式水力旋流器 - Google Patents

Abstract

一种溢流管自旋式水力旋流器。包括启旋槽、溢流管、旋流室、切向入口、驱动室、溢流管切向出口、挡板连接杆、转速调节盘、定位柱、溢流轴向出口、导向槽、推力球轴承、挡板、稳流体、溢流管密封圈以及圆弧形凹槽；溢流管的两端分别伸入驱动室和旋流室内部，溢流管外壁处设置启旋槽；稳流体位于驱动室的内部，并套设于溢流管的顶端；溢流管切向出口与顶端相切，并穿过稳流体；溢流轴向出口设置于驱动室的顶部，与驱动室同轴且连通；导向槽、挡板连接杆及挡板呈刚性连接；转速调节盘设置于驱动室与多个导向槽之间，且每个定位柱穿过对应的导向槽。本种旋流器可以增大油滴所受到的向中心区域的径向迁移力，提高旋流分离效率。

Description

一种溢流管自旋式水力旋流器

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

随着油田开发逐渐进入中高含水开采期，油水分离工艺在陆上油田及海上油田生产过程中均占据着重要地位。采用离心分离方法进行油水分离的水力旋流器具有结构紧凑且快速分离的优点，相比于其他类型分离方法，可以满足对经济性及环保性的要求，在油水分离领域表现出突出的优势。随着油田采出液的含油量逐年下降，部分油井采出液含油量已低至5%及以下，这就对水力旋流器的分离性能提出了更高的要求。如何进一步提高水力旋流器的分离效率是目前相关研究人员所关注的重点问题之一。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，而通常情况下，待分离多相介质的物性参数已经确定，难以通过直接改变介质密度及分散相粒径大小来增大分散相所受到的径向迁移力。

常规水力旋流器内部液流的旋转流动可以描述为位于内部的自由涡与位于外部的强制涡共同形成的组合涡流动。该组合涡的流动特点主要表现为在内部的强制涡内，其切向速度与液流的旋转半径成正比，而在外部的自由涡内，其切向速度随着旋转半径的增大迅速减小。以上常规水力旋流器内部的切向速度分布表明，在液流高速旋转过程中，并非各个区域均能保持较大的切向速度，切向速度最大值出现在内部强制涡与外部自由涡的交界区域，而其余区域的切向速度相对较小，这很大程度上减小了促进两相介质间分离的径向迁移力，制约了旋流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，本发明提供一种溢流管自旋式水力旋流器，本种旋流器借助液流在水力旋流器内部的自身推力驱动溢流管及启旋槽实现高速旋转，并带动其周围的旋转液流进行加速旋转，从而最大程度上增大内部涡液流的切向速度，并进一步带动外部自由涡液流切向速度的增大，有利于增大旋流器各区域内促进两相介质间分离的径向迁移力，从而提高分离效率。

本发明的技术方案是：该种溢流管自旋式水力旋流器，包括底流切向出口、旋流室以及切向入口，其独特之处在于，所述旋流器还包括启旋槽、溢流管、驱动室、溢流管切向出口、挡板连接杆、转速调节盘、定位柱、溢流轴向出口、固定筋、中心柱、导向槽、连接杆密封圈、推力球轴承、挡板、稳流体、圆锥滚子轴承、溢流管密封圈以及圆弧形凹槽。

其中，所述驱动室位于旋流室的上端，与旋流室同轴布置；在驱动室的侧壁上，沿着圆周方向均匀布置多个竖直圆弧形凹槽；所述溢流管的一端伸入驱动室的内部，另一端伸入旋流室的内部；在溢流管伸入旋流室部分的外壁上，设置启旋槽；所述启旋槽为沿着溢流管的圆周方向均匀布置多个槽型叶片。

所述稳流体位于驱动室的内部，并套设于溢流管的顶端；稳流体的上端设置有凹槽，用以安装推力球轴承；所述溢流管切向出口与溢流管的顶端相切，并穿过稳流体；

所述挡板连接杆均匀安装于位于驱动室侧壁上的多个竖直圆弧形凹槽内；所述导向槽、挡板连接杆及挡板呈刚性连接，导向槽位于驱动室的外部，挡板位于驱动室的内部。

本发明具有如下有益效果：首先，本发明所提出的水力旋流器借助液流在水力旋流器内部的自身推力驱动溢流管及启旋槽实现高速旋转，并带动其周围的旋转液流进行加速旋转，从而最大程度上增大内部涡液流的切向速度，并进一步带动外部自由涡液流切向速度的增大，有利于增大旋流器各区域内促进两相介质间分离的径向迁移力，从而提高水力旋流器的分离效率。其次，溢流管及启旋槽的旋转不依赖外界动力传动，仅靠液流在旋流器内部的自身推力驱动溢流管及启旋槽实现高速旋转，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。

本发明所述自旋式溢流管结构思路，可应用于采用旋流分离原理的各种类型水力旋流器上，具有实用性强的优点。

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顶视图。

图4为本发明所述水力旋流器的立体图。

图5为本发明所述水力旋流器的A-A向剖视图。

图6为本发明所述水力旋流器溢流管切向出口及稳流体立体剖视图。

图7为本发明所述水力旋流器的转速调节盘立体图。

图8为本发明所述水力旋流器的导向槽、挡板及挡板连接杆立体图。

图9为本发明所述水力旋流器的B-B向剖视图。

图10为本发明所述水力旋流器的具有大转矩的溢流管切向出口结构。

图11为本发明所述水力旋流器的C-C向剖视图。

图12为本发明所述水力旋流器的局部放大图I。

图13为本发明所述水力旋流器的局部放大图II。

图14为本发明所述水力旋流器的原理图。

图15为常规水力旋流器的切向速度分布示意图。

图16为本发明所述水力旋流器的切向速度分布示意图。

图中1-底流切向出口，2-启旋槽，3-溢流管，4-旋流室，5-切向入口，6-驱动室，7-溢流管切向出口，8-挡板连接杆，9-转速调节盘，10-定位柱，11-溢流轴向出口，12-固定筋，13-中心柱，14-导向槽，15-连接杆密封圈，16-推力球轴承，17-挡板，18-稳流体，19-圆锥滚子轴承，20-溢流管密封圈，21-圆弧形凹槽。

具体实施方式：

具体实施时，所述切向入口沿着旋流室的切向方向布置于旋流室的顶端；所述底流切向出口沿着旋流室的切向方向布置于旋流室的底端。所述驱动室位于旋流室的上端，与旋流室同轴布置；在驱动室的侧壁上，沿着圆周方向均匀布置多个竖直圆弧形凹槽。所述溢流管的一端伸入驱动室的内部，另一端伸入旋流室的内部；在溢流管伸入旋流室部分的外壁上，设置启旋槽；所述启旋槽为沿着溢流管的圆周方向均匀布置多个槽型叶片；启旋槽的设置有利于驱动其周围液流的高速旋转，同时收集轻质相介质，使轻质相介质沿着启旋槽最终由位于溢流管下部的入口流入溢流管内。所述稳流体位于驱动室的内部，并套设于溢流管的顶端；稳流体的上端设置有凹槽，用以安装推力球轴承；所述溢流管切向出口与溢流管的顶端相切，并穿过稳流体；稳流体的设置有助于避免由溢流管切向出口喷出的液流在驱动室内造成的紊流，从而降低液流阻力，减缓液流由溢流管切向出口喷出后的动量衰减。所述溢流管切向出口可为直线结构也可为90度弯转结构；溢流管切向出口采用90度弯转结构可进一步增大由溢流管切向出口喷出的液流距轴心的距离，从而增大溢流管及启旋槽的旋转力矩，进一步增大旋转速度。所述溢流轴向出口设置于驱动室的顶部，溢流轴向出口与驱动室同轴布置，连接并连通。所述中心柱的一端为柱状结构，另一端为锥台型结构；在中心柱的锥台型一端设置有凹槽，用以安装推力球轴承；中心柱通过固定筋固定于溢流轴向出口的中心处。所述推力球轴承安装固定于中心柱与稳流体之间；所述圆锥滚子轴承紧固于溢流管的外壁处，并安装于驱动室的底部。所述溢流轴向出口、中心柱、驱动室、稳流体、溢流管、推力球轴承及圆锥滚子轴承均为同轴布置；通过推力球轴承及圆锥滚子轴承的设置，可以实现稳流体、溢流管切向出口、溢流管及启旋槽整体的绕轴旋转，且旋转方向与旋流室内部的液流旋流方向一致。

所述多个挡板连接杆均匀安装于位于驱动室侧壁上的多个竖直圆弧形凹槽内；所述导向槽、挡板连接杆及挡板呈刚性连接，导向槽位于驱动室的外部，挡板位于驱动室的内部。所述多个定位柱均匀固定安装于转速调节盘上；所述转速调节盘位于驱动室与多个导向槽之间，且每个定位柱穿过对应的导向槽。所述溢流管密封圈布置于靠近圆锥滚子轴承处，用以防止驱动室内液流及旋流室内液流间的相互渗漏。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明所述溢流管自旋式水力旋流器，包括底流切向出口1，启旋槽2，溢流管3，旋流室4，切向入口5，驱动室6，溢流管切向出口7，挡板连接杆8，转速调节盘9，定位柱10，溢流轴向出口11，固定筋12，中心柱13，导向槽14，连接杆密封圈15，推力球轴承16，挡板17，稳流体18，圆锥滚子轴承19，溢流管密封圈20及圆弧形凹槽21。

如图1至图4所示，所述切向入口5沿着旋流室4的切向方向布置于旋流室4的顶端；所述底流切向出口1沿着旋流室4的切向方向布置于旋流室的底端。

如图1及图9所示，所述驱动室6位于旋流室4的上端，与旋流室同轴布置；在驱动室的侧壁上，沿着圆周方向均匀布置多个竖直圆弧形凹槽21。

如图1及图11所示，所述溢流管3的一端伸入驱动室6的内部，另一端伸入旋流室4的内部；在溢流管3伸入旋流室4部分的外壁上，设置启旋槽2；所述启旋槽2为沿着溢流管3的圆周方向均匀布置多个槽型叶片；启旋槽2的设置有利于驱动其周围液流的高速旋转，同时收集轻质相介质，使轻质相介质沿着启旋槽2最终由位于溢流管3下部的入口流入溢流管3内。

如图1及图6所示，所述稳流体18位于驱动室6的内部，并套设于溢流管3的顶端；稳流体18的上端设置有凹槽，用以安装推力球轴承16；所述溢流管切向出口7与溢流管3的顶端相切，并穿过稳流体18；稳流体18的设置有助于避免由溢流管切向出口7喷出的液流在驱动室6内造成的紊流，从而降低液流阻力，减缓液流由溢流管切向出口7喷出后的动量衰减。

如图1、图9及图10所示，所述溢流管切向出口7可为直线结构也可为90度弯转结构；溢流管切向出口7采用90度弯转结构可进一步增大由溢流管切向出口7喷出的液流距轴心的距离，从而增大溢流管3及启旋槽2的旋转力矩，进一步增大旋转速度。

如图1所示，所述溢流轴向出口11设置于驱动室6的顶部，溢流轴向出口11与驱动室6同轴布置，连接并连通。

如图1及图5所示，所述中心柱13的一端为柱状结构，另一端为锥台型结构；在中心柱13的锥台型一端设置有凹槽，用以安装推力球轴承16；中心柱13通过固定筋12固定于溢流轴向出口11的中心处。

如图1所示，所述推力球轴承16安装固定于中心柱13与稳流体18之间；所述圆锥滚子轴承19紧固于溢流管3的外壁处，并安装于驱动室6的底部。

如图1所示，所述溢流轴向出口11、中心柱13、驱动室6、稳流体18、溢流管3、推力球轴承16及圆锥滚子轴承19均为同轴布置；通过推力球轴承16及圆锥滚子轴承19的设置，可以实现稳流体18、溢流管切向出口7、溢流管3及启旋槽2整体的绕轴旋转，且旋转方向与旋流室4内部的液流旋流方向一致。

如图1及图8所示，所述多个挡板连接杆8均匀安装于位于驱动室6侧壁上的多个竖直圆弧形凹槽21内；所述导向槽14、挡板连接杆8及挡板17呈刚性连接，导向槽14位于驱动室6的外部，挡板17位于驱动室6的内部。

如图1至图4及图7所示，所述多个定位柱10均匀固定安装于转速调节盘9上；所述转速调节盘9位于驱动室6与多个导向槽14之间，且每个定位柱穿过对应的导向槽。

如图1所示，所述溢流管密封圈20布置于靠近圆锥滚子轴承19处，用以防止驱动室6内液流及旋流室4内液流间的相互渗漏。

应用本种旋流器，处理液（以油水混合物为例）首先由切向入口沿着切向方向高速流入旋流室内部，并在旋流室内部形成高速旋转流。油水两相在旋流室内高速旋转过程中，密度较大的水相受较大的离心力作用，逐渐被甩向旋流室的壁面区域，并沿着旋流室的壁面向下流动，最终由底流切向出口流出。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处运移的径向迁移力，使油滴逐渐向中心区域聚集，沿着位于中心区域溢流管外壁处的启旋槽逐渐向下流动，并由溢流管下端的入口向上流入溢流管，而后由溢流管切向出口沿着与溢流管相切的方向高速喷出。之后，高速喷出的油相流入驱动室的内部，最终由位于驱动室顶部的溢流轴向出口流出。

由于由溢流管切向出口高速喷出的液流（主要为油相，也称为富油相）具有较大的喷射动量，根据牛顿第三定律，因此使溢流管同时受到与液流喷射方向相反的动量，使溢流管受到较大的反向旋转力矩，从而实现溢流管及溢流管外壁上启旋槽的高速旋转。启旋槽在高速旋转过程中，由于启旋槽采用槽型结构，其高速旋转将进一步带动其周围的液流进行高速旋转，从而大幅增大溢流管附近的液流切向流动速度。通过以上结构布置，可实现不依赖外界电机传动，仅依靠液流在旋流器内部的自身推力驱动溢流管实现高速旋转，从而增大溢流管附近的液流切向速度，大幅增大油滴所受到的向中心区域的径向迁移力，促进油水两相间的分离及提高分离效率。

当处理液中的分散相粒径较小或两相间的密度差较小，难于分离时，可通过调节转速调节盘9来增大溢流管3及启旋槽2的旋转速度，从而增大促进两相间的径向迁移力，促进两相间的离心分离，最终实现对具有不同物性参数处理液的高效分离。

具体的，逆时针旋转转速调节盘9，则固定于转速调节盘上的定位柱将带动导向槽14逆时针旋转，由于导向槽、挡板连接杆及挡板呈刚性连接，从而使挡板也进行逆时针旋转，使挡板逐渐面向由溢流管切向出口喷出的液流，增大喷出的液流与挡板的撞击程度，从而增大溢流管所受到的反向旋转力矩，加速溢流管及启旋槽的高速旋转。也就是，当逆时针调节转速调节盘时，溢流管的转速增大，当顺时针调节转速调节盘时，则溢流管的转速减小。

Claims (1)

1.一种溢流管自旋式水力旋流器，包括底流切向出口（1）、旋流室（4）、驱动室（6）、切向入口（5）、启旋槽（2）、溢流管（3）以及溢流轴向出口（11）；所述溢流管（3）的一端伸入驱动室（6）的内部，另一端伸入旋流室（4）的内部，在溢流管（3）伸入旋流室（4）部分的外壁上设置启旋槽（2）；其特征在于：

所述旋流器还包括溢流管切向出口（7）、挡板连接杆（8）、转速调节盘（9）、定位柱（10）、固定筋（12）、中心柱（13）、导向槽（14）、连接杆密封圈（15）、推力球轴承（16）、挡板（17）、稳流体（18）、圆锥滚子轴承（19）、溢流管密封圈（20）以及圆弧形凹槽（21）；

其中，所述驱动室（6）位于旋流室（4）的上端，与旋流室（4）同轴布置；在驱动室（6）的侧壁上，沿着圆周方向均匀布置多个竖直圆弧形凹槽（21）；所述启旋槽（2）为沿着溢流管（3）的圆周方向均匀布置多个槽型叶片；

所述稳流体（18）位于驱动室（6）的内部，并套设于溢流管（3）的顶端；稳流体（18）的上端设置有凹槽，用以安装推力球轴承（16）；所述溢流管切向出口（7）与溢流管（3）的顶端相切，并穿过稳流体（18）；

所述挡板连接杆（8）均匀安装于位于驱动室（6）侧壁上的多个竖直圆弧形凹槽（21）内；所述导向槽（14）、挡板连接杆（8）及挡板（17）呈刚性连接，导向槽（14）位于驱动室（6）的外部，挡板（17）位于驱动室（6）的内部。

Images