专利名称：超声速旋流天然气分离器的超声速喷管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超声速喷管，它是超声速旋流天然气分离器的关键部件，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、再压縮等工艺于一个密闭紧凑的装置内完成。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。气流经超声速翼形成旋流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。超声速旋流分离器具有密闭无泄漏、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%。
超声速喷管是超声速旋流天然气分离器的关键部件，当气流通过喷管时绝热膨胀至 超声速，其温度和压力降低，形成低温低压，天然气中的重烃和水蒸汽达到过饱和状态 开始凝结，发生凝结成核现象，液滴生长，形成气液混合物。国内外己有关于超声速喷 管研究报道，但是这些喷管都不能很好地满足超声速旋流分离器高效膨胀降温分离的要 求。壳牌石油公司1997年开始研发Twister处理装置，将其应用于井口天然气处理，在理 论研究和装置设计上取得一些成果。壳牌石油公司对Twister装置的喷管申请了专利 NOZZLE FOR SUPERSONIC GAS FLOW AND AN INERTIA SEPRATOR[P〗.US 6,513,345 Bl， Feb.4， 2003。该喷管可产生粒径为0.1微米 2.5微米的液滴颗粒，但该喷 管没有考虑流速均匀性、压力损失等因素对超声速旋流天然气分离器的影响。超声速喷 管中的超声速气流易形成自激振荡现象，导致较大能量损失，降低喷管效率；超声速气 流流速均匀性和稳定性较低，将不能很好地满足超声速旋流天然气分离器对超声速喷管 性能的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的缺点，提供了一种结构简单，工作稳定，易于加 工制造，且具有较好的流速均匀性，较小的能量损失，能够形成较大液滴，更利于气液 分离，从而提高超声速旋流天然气分离器的升压比和分离效率的超声速喷管。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是超声速喷管由收缩管段、扩张管段和
整流管段组成。收縮管段型面曲线变化遵循高阶多项式规律，收縮管段型面曲线两端点 切线与轴线平行，实现与直管的光滑连接。收縮管段长度为0.5 5倍喷管入口段管径， 收縮角为6。 45° ，收縮管段末端连接直管，以增加进入扩张管段内膨胀气流的均匀性、 稳定性。直管管段长度为O. 05 0. 2倍喷管喉部直径。收縮管段型面曲线变化均匀、平缓， 天然气气流在收縮段中膨胀加速至声速平直流。扩张管段型面曲线由多段曲线组成，其 前段为圆弧段和直壁段，圆弧段实现了喉部与直壁段的光滑连接，圆弧半径为1 30倍的 喉部直径，直壁段长度为0.5 5倍的喉部直径，设置直壁段有利于超声速天然气气流经 超声速翼转变成旋流，并以旋流形式膨胀加速；其后段(消波扩张段)曲线为消波曲线， 该管段把超声速变成满足马赫数要求的均匀平直流，以保证实现出口气流均匀；消波扩 张段与前后两端直管相切以实现光滑连接，防止产生强烈激波，减少能量损失，有利于 气流均匀、稳定。消波扩张段的最大膨胀角为0.2 0.8倍的喷管出口马赫数对应的普朗 特一迈耶角。整流管段长度为10 50倍的管径，该管段能增加超声速天然气气流的均匀 性，有利于液滴的碰撞、生长。
采用了上述超声速喷管的分离器，将低速高压天然气气流高效地转化为低温、高速 均匀轴流，压力损失小，无明显自激振荡现象。该超声速喷管通过收縮管段使高压天然 气气流膨胀加速，转变成声速平直流，再通过扩张管段使天然气气流膨胀加速，最后通 过消波扩张段使气流向均匀的平直流转化，实现气流的膨胀降温。该超声速喷管各段之 间光滑过渡，气流变化均匀平缓，减少了对流场的扰动，降低了能量损失，提高了膨胀 效率，易形成较大粒径的液滴，有利于实现气液分离。
下面结合附图和典型实施例(实例)对本发明做进一步说明。
图l是依据本发明所提出的超声速喷管的剖面图； 图2是依据本发明所提出的超声速喷管的收縮管段剖面图； 图3是依据本发明所提出的超声速喷管的扩张管段剖面图；
具体实施例方式
附图为按照本发明目的设计加工的一个典型超声速喷管实例。该超声速喷管为圆柱 形壳体。图l是超声速喷管的剖面图，由收縮管段(1)、扩张管段(2)和整流管段(3) 构成。
图2是超声速喷管的收縮管段剖面图，该实例收縮管段由收縮管(4)和直管(5)组 成。收縮管型面曲线为三次多项式，入口直径100mm，出口直径12.4圆，收縮管长186mra， 收縮角为15° ，收縮管入口端和出口端切线与轴向平行。收缩管末端直管长l.O mm，该 直管为超声速喷管的喉部，天然气气流在此达到声速，形成平直声速流。
图3是超声速喷管的扩张管段剖面图，由圆弧扩张段(6)、直壁扩张段(7)和消波 扩张段(8)构成。圆弧扩张段(6)型面曲线是半径为36mm的一段圆弧，圆弧与喷管喉 部及直壁扩张段(7)相切，过渡光滑。直壁扩张段长18 mm。消波扩张管段型面曲线与 直壁扩张段(7)及整流管段(3)过渡光滑。消波扩张段的最大膨胀角为0.25倍的喷管 出口马赫数对应的普朗特一迈耶角。整流管段(3)长150mm，天然气气流经扩张管段膨胀 加速后形成均匀超声速气流，气流进入整流管段后进一步整流，形成均匀的超声速平直 流。该整流管段能增加超声速天然气气流的均匀性，并有利于液滴的碰撞、生长。
该超声速喷管将低速高压天然气气流高效地转化为超声速均匀轴流天然气气流，压 力损失小，无明显自激振荡现象，实现了气流的膨胀降温，降低了能量损失，提高了膨 胀效率，能形成良好的液体颗粒，有利于实现气液分离。
权利要求
1. 一种用于超声速旋流天然气分离器的超声速喷管，由收缩管段(1)、扩张管段(2)、和整流段(3)构成。其特征是，收缩管段(1)型面曲线变化遵循高阶多项式规律，长度为0.5～5倍喷管入口段管径，收缩角为6°～45°；扩张管段(2)型面曲线由多段曲线组成，其前段为圆弧段和直壁段，后段曲线为消波曲线，扩张管段最大膨胀角为0.2～0.8倍的喷管出口马赫数对应的普朗特—迈耶角。
2. 根据权利要求l所述的超声速喷管，其特征是，收縮管段由收缩管(4)和直管 (5)组成，收縮管(4)型面曲线为三次多项式，端点切线与轴线平行，实现与直管(5)的光滑连接，直管(5)长度为0.05 0.2倍喷管喉部直径。
3. 根据权利要求1所述的超声速喷管，其特征是，扩张管段包含圆弧扩张管段(6)、 直壁扩张段(7)和消波扩张段(8)，各段光滑连接，圆弧扩张管段(6)型面曲线半径 为1 30倍的喉部直径，直壁扩张管段(7)长度为0.5 5倍的喉部直径。
4. 根据权利要求l所述的超声速喷管，其特征是，收縮段的直管(5)与扩张段的 圆弧扩张管(6)光滑连接。
5. 根据权利要求1所述的超声速扩压器，其特征是，整流段(3)为直管，长度为 10 50倍的管径，整流段(3)与消波扩张管段(8)光滑连接。
全文摘要
本发明提供了一种用于超声速旋流天然气分离器的超声速喷管，是该分离器的关键部件，由收缩管段、扩张管段和整流管段组成。收缩管段型面曲线为高阶多项式，天然气气流在此膨胀加速，达到声速，形成平直声速流。扩张管段型面曲线由多段曲线组成，各段之间光滑连接，以减少对气流的扰动。该超声速喷管出入口处型面曲线变化平缓，曲率变化小，对上下游流体流动的影响微弱，出入口效应不明显；扩张管段入口过渡平滑，对流体的扰动小；扩张管段型面曲线变化平缓，气流膨胀速率小，流速均匀性好，利于液滴凝结核生长成较大的粒径，便于分离。该超声速喷管不仅使气流均匀加速，改善流场的均匀性、稳定性，降低湍流度，使出口气流具有较好的气流品质，而且能形成较大粒径的液滴，提高超声速旋流分离器的分离效率。
文档编号F25J3/06GK101387469SQ20081015747
公开日2009年3月18日 申请日期2008年10月11日 优先权日2008年10月11日
发明者曹学文, 杜永军, 丽 陈 申请人:曹学文