專利名稱：超聲速旋流天然氣分離器的超聲速擴(kuò)壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲速旋流天然氣分離器的擴(kuò)壓部件——超聲速擴(kuò)壓器，屬于天然氣集輸、加工與處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
采用超聲速旋流分離技術(shù)研制的超聲速旋流天然氣分離器由拉伐爾噴管、超聲速整流管、超聲速翼、擴(kuò)壓管等構(gòu)件組成，它結(jié)合了氣體動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和流體力學(xué)的理論，集膨脹降溫、旋流式氣/液分離、再壓縮等工藝于一個(gè)密閉緊湊的裝置里完成。氣流經(jīng)過拉伐爾噴管絕熱膨脹至超聲速，形成低溫低壓，低溫使天然氣中的重?zé)N和水份凝結(jié)成核，并生長成小液滴，形成氣液混合氣流；氣流經(jīng)超聲速翼以離心分離的方式將氣流中的水和重?zé)N凝析液滴分離出來。超聲速旋流分離技術(shù)具有器具密閉無泄漏、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、無需化學(xué)藥劑、簡單可靠(無移動(dòng)部件)等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的加熱防凍和利用防凍劑防凍天然氣集輸工藝相比，天然氣集輸系統(tǒng)投資和運(yùn)行費(fèi)用減少10～25％。
擴(kuò)壓器是超聲速旋流天然氣分離器的重要部件，通過擴(kuò)壓器可將氣體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能。國外曾有報(bào)道，采用漸擴(kuò)的圓臺(tái)型擴(kuò)壓器，其母線為直線。由于擴(kuò)壓器入口氣液混合氣流速度為超聲速，超聲速氣流進(jìn)入擴(kuò)壓器入口后會(huì)形成強(qiáng)烈的正激波，使氣液混合氣流的速度降為亞聲速。這種擴(kuò)壓器通道存在強(qiáng)烈的激波現(xiàn)象，造成較大的能量損失，降低了擴(kuò)壓器的擴(kuò)壓效率；擴(kuò)壓器內(nèi)氣流為旋流，有較大的切向速度，不能轉(zhuǎn)化為壓力能，使超聲速旋流分離器的壓力恢復(fù)能力降低；同時(shí)，壓力波動(dòng)會(huì)使擴(kuò)壓器入口的激波失穩(wěn)，激波將不斷前移，進(jìn)入旋流分離段，影響分離器正常工作。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述不足之處，本發(fā)明的目的是提出一種超聲速擴(kuò)壓器，用于超聲速旋流天然氣分離器，以減弱擴(kuò)壓器入口正激波，減小氣流的能量損失，提高擴(kuò)壓器的效率；將旋流氣流轉(zhuǎn)化為軸流氣流，提高分離器的壓力恢復(fù)能力，且增加擴(kuò)壓器內(nèi)激波的穩(wěn)定性，增強(qiáng)抗壓力波動(dòng)的干擾能力，增強(qiáng)超聲速旋流天然氣分離器的適用性。
本發(fā)明首創(chuàng)一種適用于寬范圍馬赫數(shù)的超聲速擴(kuò)壓器。該超聲速擴(kuò)壓器由收縮管段、直管段、擴(kuò)張管段和導(dǎo)流翼片四部分組成。收縮管段型面曲線變化遵循高階多項(xiàng)式規(guī)律，收縮管段型面曲線端點(diǎn)切線與軸線平行，實(shí)現(xiàn)與直管段的光滑連接。超聲速氣流在收縮段中經(jīng)過一系列斜激波使氣流減速到低超聲速，收縮段長度為0.2～6倍擴(kuò)壓器入口段管徑，收縮角為15°～50°。直管段長度為0.5～7倍管徑，激波在該管段中具有穩(wěn)定性，激波的穩(wěn)定性總是能使激波恢復(fù)到原來的位置，因而，直管段提高了分離器的抗壓力波動(dòng)能力。擴(kuò)張管段型面曲線為圓弧和直線的組合曲線，擴(kuò)張管段通過圓弧形曲面與直管段相連，擴(kuò)張段的擴(kuò)壓角為4°～15°。導(dǎo)流翼片底面為圓臺(tái)面，與擴(kuò)壓管的內(nèi)壁相吻合，固定在內(nèi)壁上。底面中弧線為高階曲線，底面翼型厚度變化遵循高階多項(xiàng)式規(guī)律。圓臺(tái)形導(dǎo)流翼片底面的形狀由底面中弧線及底面翼型厚度變化模型確定。翼型頂部收縮為平行于軸線的直線，位于翼片底面后端，增加了氣流的流通面積，且翼片具有空氣動(dòng)力學(xué)輪廓形狀，減小了導(dǎo)流翼片對氣流的阻塞。該導(dǎo)流翼片圓臺(tái)形底面的中弧線軸向長度為0.5～4.5倍管徑；底面中弧線前端與管段圓周間的夾角即前緣進(jìn)氣角α＝55°～85°，底面中弧線后端與管段圓周間的夾角即后緣出氣角β＝90°。由中弧線的長度及前緣進(jìn)氣角和后緣出氣角確定高階多項(xiàng)式型底面中弧線的形狀。該翼型底面最大厚度位于50％～80％弦長處，且最大厚度為0.5～4.0mm。底面翼型厚度沿中弧線連續(xù)變化，變化模型為三階多項(xiàng)式。擴(kuò)壓器內(nèi)設(shè)有2～6片導(dǎo)流翼片。
采用了上述超聲速擴(kuò)壓器的分離器，將超聲速旋流高效地轉(zhuǎn)化為低速均勻軸流。該超聲速擴(kuò)壓器通過多個(gè)斜激波將超聲速氣流轉(zhuǎn)化為低超聲速氣流，再通過擴(kuò)張段將氣流轉(zhuǎn)化為低速氣流，各段之間光滑過渡，減少了能量的損失，提高了擴(kuò)壓器的擴(kuò)壓效率。該擴(kuò)壓器的導(dǎo)流翼片尾部收縮成一條與軸線平行的直線，使氣流由旋流轉(zhuǎn)化為軸流，減少了對流場的擾動(dòng)，并使翼后速度分布均勻，其軸向截面具有空氣動(dòng)力學(xué)輪廓的形狀。
下面結(jié)合附圖和典型實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。


圖1是依據(jù)本發(fā)明所提出的超聲速擴(kuò)壓器的正視圖；圖2是依據(jù)本發(fā)明所提出的超聲速擴(kuò)壓器的側(cè)視圖；圖3是依據(jù)本發(fā)明所提出的超聲速擴(kuò)壓器的導(dǎo)流翼片底面形狀圖；圖4是依據(jù)本發(fā)明所提出的超聲速擴(kuò)壓器的導(dǎo)流翼片立體結(jié)構(gòu)圖；圖5是圖4所示導(dǎo)流翼片沿A-A線的剖面圖；圖6是圖4所示導(dǎo)流翼片沿B-B線的剖面圖；圖7是圖4所示導(dǎo)流翼片沿C-C線的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
附圖為按照本發(fā)明目的設(shè)計(jì)加工的一個(gè)典型超聲速擴(kuò)壓器實(shí)例。該超聲速擴(kuò)壓器所在的超聲速旋流天然氣分離器分離段為圓柱形殼體。圖1是超聲速擴(kuò)壓器的正視圖，圖2是超聲速擴(kuò)壓器的側(cè)視圖。上述超聲速擴(kuò)壓器由收縮管段1、直管段2、圓弧形壁面擴(kuò)張管段3、直線形壁面擴(kuò)張管段5和導(dǎo)流翼片4構(gòu)成。該實(shí)例收縮管段型面曲線為三次多項(xiàng)式，入口直徑17.7mm，長15.3mm，收縮角為30°，末端切線與軸向平行。擴(kuò)張管段長230.5mm，擴(kuò)壓角為6°，圓弧段型面曲線半徑為20倍的直線段管徑。收縮管段與擴(kuò)張管段之間的直管段長16.0mm。
圖3所示是導(dǎo)流翼片底面形狀圖，該導(dǎo)流翼片的底面為圓臺(tái)面，與擴(kuò)張管的內(nèi)壁相吻合，并固定在內(nèi)壁上。底面中弧線7為高階多項(xiàng)式曲線，其軸向長度即弦長為30.0mm。翼型底面厚度變化遵循三次多項(xiàng)式規(guī)律，其最大厚度位于60％弦長處，且最大厚度為2.0mm。圓臺(tái)形導(dǎo)流翼片底面的形狀由底面中弧線及底面翼片厚度變化模型確定。底面翼型厚度沿中弧線連續(xù)變化，變化模型為三階多項(xiàng)式，因此導(dǎo)流翼片底面的形狀實(shí)際上由兩段三階多項(xiàng)式曲線所組成。
為使旋流氣流轉(zhuǎn)化為軸流氣流，并減弱導(dǎo)流翼片對流場的擾動(dòng)，減少能量損失，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流翼片前緣進(jìn)氣角α由底面中弧線前端與管段圓周間的夾角構(gòu)成，α＝55°～85°，本實(shí)例導(dǎo)流翼片前緣進(jìn)氣角α＝66°；后緣出氣角β由底面中弧線后端與管段圓周間的夾角構(gòu)成，β＝90°由中弧線的長度及前緣進(jìn)氣角和后緣出氣角確定高階曲線型底面中弧線的形狀。
圖4所示是導(dǎo)流翼片立體結(jié)構(gòu)圖。該超聲速擴(kuò)壓器設(shè)有三片導(dǎo)流翼片。翼型頂部收縮成平行于軸線的直線11，長8.5mm。對頂部直線和底面兩邊界線進(jìn)行線性插值，得到翼型兩側(cè)面上各點(diǎn)的坐標(biāo)，從而確定翼型的兩側(cè)面，兩側(cè)面的形狀由底面的形狀及頂端直線所確定。側(cè)面9略成凹面形為壓力面，側(cè)面10略成凸面形為吸力面。導(dǎo)流翼片截面形狀如剖面5、圖6、圖7所示，各剖面圖剖視位置如圖4所示，各剖面與軸向垂直。
該超聲速擴(kuò)壓器可將旋流氣流轉(zhuǎn)化為軸流氣流，具有較高的擴(kuò)壓效率，具有較強(qiáng)的抗壓力波動(dòng)干擾能力，能提高超聲速旋流天然氣分離器的升壓比，增強(qiáng)超聲速旋流天然氣分離器的適用性。
權(quán)利要求
1.一種用于超聲速旋流天然氣分離器的超聲速擴(kuò)壓器，由收縮段(1)、直管段(2)、圓弧擴(kuò)張段(3)、導(dǎo)流翼片(4)和直線擴(kuò)張段(5)構(gòu)成，其特征是，收縮段(1)型面曲線變化遵循高階多項(xiàng)式規(guī)律，長度為0.2～5倍擴(kuò)壓器入口段管徑，收縮角為15°～50°，擴(kuò)張段包含圓弧擴(kuò)張段(3)和直線擴(kuò)張段(5)，擴(kuò)張段的擴(kuò)壓角為4°～15°，擴(kuò)張管內(nèi)設(shè)有2～6片導(dǎo)流翼片(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲速擴(kuò)壓器，其特征是，收縮管段型面曲線為三次多項(xiàng)式或者五次多項(xiàng)式，端點(diǎn)切線與軸線平行，實(shí)現(xiàn)與直管段(2)的光滑連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲速擴(kuò)壓器，其特征是，收縮段(1)與圓弧擴(kuò)張段(3)之間為直管段(2)，其長度為0.5～6倍的管徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲速擴(kuò)壓器，其特征是，擴(kuò)張段包含圓弧擴(kuò)張段(3)和直線擴(kuò)張段(5)，直管段(2)和直線擴(kuò)張段(5)通過圓弧擴(kuò)張段(3)光滑連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲速擴(kuò)壓器，其特征是，導(dǎo)流翼片(4)底面為圓臺(tái)面，底面前緣進(jìn)氣角α＝55°～85°，底面后緣出氣角β＝90°，底面最大厚度位于50％～80％弦長處，且最大厚度為0.5～4.0mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲速擴(kuò)壓器，其特征是，導(dǎo)流翼片頂部收縮成平行于軸線的直線。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于超聲速旋流天然氣分離器的超聲速擴(kuò)壓器，是該分離器的重要部件，該擴(kuò)壓器由收縮管段、直管段、擴(kuò)張管段和導(dǎo)流翼片四部分組成。收縮段型面曲線為高階多項(xiàng)式，擴(kuò)張段型面曲線為圓弧加直線，各段之間光滑連接減少氣流的擾動(dòng)。導(dǎo)流翼片底面為圓臺(tái)面，與翼段管的內(nèi)壁相吻合，并固定在內(nèi)壁上。底面中弧線為高階多項(xiàng)式曲線，底面翼型厚度變化遵循高階多項(xiàng)式規(guī)律。導(dǎo)流翼片頂部收縮成一條平行于軸線的直線。該超聲速擴(kuò)壓器內(nèi)設(shè)2～6片導(dǎo)流翼片，可將旋流天然氣流轉(zhuǎn)化為軸流，具有較高的擴(kuò)壓效率，具有較強(qiáng)的抗壓力波動(dòng)干擾能力，能提高超聲速旋流天然氣分離器的升壓比，增強(qiáng)超聲速旋流天然氣分離器的適用性。
文檔編號(hào)B04C5/00GK101053857SQ20071001370
公開日2007年10月17日 申請日期2007年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月12日
發(fā)明者曹學(xué)文, 杜永軍 申請人:曹學(xué)文