[发明专利]超声速旋流天然气分离器的超声速扩压器

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种超声速旋流天然气分离器的扩压部件——超声速扩压器，属于天然气集输、加工与处理技术领域。

背景技术

采用超声速旋流分离技术研制的超声速旋流天然气分离器由拉伐尔喷管、超声速整流管、超声速翼、扩压管等构件组成，它结合了气体动力学、热力学和流体力学的理论，集膨胀降温、旋流式气/液分离、再压缩等工艺于一个密闭紧凑的装置里完成。气流经过拉伐尔喷管绝热膨胀至超声速，形成低温低压，低温使天然气中的重烃和水份凝结成核，并生长成小液滴，形成气液混合气流；气流经超声速翼以离心分离的方式将气流中的水和重烃凝析液滴分离出来。超声速旋流分离技术具有器具密闭无泄漏、结构紧凑轻巧、无需化学药剂、简单可靠(无移动部件)等优点，与传统的加热防冻和利用防冻剂防冻天然气集输工艺相比，天然气集输系统投资和运行费用减少10～25％。

扩压器是超声速旋流天然气分离器的重要部件，通过扩压器可将气体动能转化为压力能。国外曾有报道，采用渐扩的圆台型扩压器，其母线为直线。由于扩压器入口气液混合气流速度为超声速，超声速气流进入扩压器入口后会形成强烈的正激波，使气液混合气流的速度降为亚声速。这种扩压器通道存在强烈的激波现象，造成较大的能量损失，降低了扩压器的扩压效率；扩压器内气流为旋流，有较大的切向速度，不能转化为压力能，使超声速旋流分离器的压力恢复能力降低；同时，压力波动会使扩压器入口的激波失稳，激波将不断前移，进入旋流分离段，影响分离器正常工作。

发明内容

为了克服上述不足之处，本发明的目的是提出一种超声速扩压器，用于超声速旋流天然气分离器，以减弱扩压器入口正激波，减小气流的能量损失，提高扩压器的效率；将旋流气流转化为轴流气流，提高分离器的压力恢复能力，且增加扩压器内激波的稳定性，增强抗压力波动的干扰能力，增强超声速旋流天然气分离器的适用性。

本发明首创一种适用于宽范围马赫数的超声速扩压器。该超声速扩压器由收缩管段、直管段、扩张管段和导流翼片四部分组成。收缩管段型面曲线变化遵循高阶多项式规律，收缩管段型面曲线端点切线与轴线平行，实现与直管段的光滑连接。超声速气流在收缩段中经过一系列斜激波使气流减速到低超声速，收缩段长度为0.2～6倍扩压器入口段管径，收缩角为15°～50°。直管段长度为0.5～7倍管径，激波在该管段中具有稳定性，激波的稳定性总是能使激波恢复到原来的位置，因而，直管段提高了分离器的抗压力波动能力。扩张管段型面曲线为圆弧和直线的组合曲线，扩张管段通过圆弧形曲面与直管段相连，扩张段的扩压角为4°～15°。导流翼片底面为圆台面，与扩压管的内壁相吻合，固定在内壁上。底面中弧线为高阶曲线，底面翼型厚度变化遵循高阶多项式规律。圆台形导流翼片底面的形状由底面中弧线及底面翼型厚度变化模型确定。翼型顶部收缩为平行于轴线的直线，位于翼片底面后端，增加了气流的流通面积，且翼片具有空气动力学轮廓形状，减小了导流翼片对气流的阻塞。该导流翼片圆台形底面的中弧线轴向长度为0.5～4.5倍管径；底面中弧线前端与管段圆周间的夹角即前缘进气角α＝55°～85°，底面中弧线后端与管段圆周间的夹角即后缘出气角β＝90°。由中弧线的长度及前缘进气角和后缘出气角确定高阶多项式型底面中弧线的形状。该翼型底面最大厚度位于50％～80％弦长处，且最大厚度为0.5～4.0mm。底面翼型厚度沿中弧线连续变化，变化模型为三阶多项式。扩压器内设有2～6片导流翼片。

采用了上述超声速扩压器的分离器，将超声速旋流高效地转化为低速均匀轴流。该超声速扩压器通过多个斜激波将超声速气流转化为低超声速气流，再通过扩张段将气流转化为低速气流，各段之间光滑过渡，减少了能量的损失，提高了扩压器的扩压效率。该扩压器的导流翼片尾部收缩成一条与轴线平行的直线，使气流由旋流转化为轴流，减少了对流场的扰动，并使翼后速度分布均匀，其轴向截面具有空气动力学轮廓的形状。

下面结合附图和典型实施例对本发明做进一步说明。

附图说明

图1是依据本发明所提出的超声速扩压器的正视图；

图2是依据本发明所提出的超声速扩压器的侧视图；

图3是依据本发明所提出的超声速扩压器的导流翼片底面形状图；

图4是依据本发明所提出的超声速扩压器的导流翼片立体结构图；

图5是图4所示导流翼片沿A-A线的剖面图；

图6是图4所示导流翼片沿B-B线的剖面图；

图7是图4所示导流翼片沿C-C线的剖面图。

具体实施方式