专利名称：超声速旋流天然气分离器的超声速扩压器的制作方法
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。
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扩压器实例。该超声速扩压器所在的超声速旋流天然气分离器分离段为圆柱形壳体。图1是超声速扩压器的正视图，图2是超声速扩压器的侧视图。上述超声速扩压器由收缩管段1、直管段2、圆弧形壁面扩张管段3、直线形壁面扩张管段5和导流翼片4构成。该实例收缩管段型面曲线为三次多项式，入口直径17.7mm，长15.3mm，收缩角为30°，末端切线与轴向平行。扩张管段长230.5mm，扩压角为6°，圆弧段型面曲线半径为20倍的直线段管径。收缩管段与扩张管段之间的直管段长16.0mm。
图3所示是导流翼片底面形状图，该导流翼片的底面为圆台面，与扩张管的内壁相吻合，并固定在内壁上。底面中弧线7为高阶多项式曲线，其轴向长度即弦长为30.0mm。翼型底面厚度变化遵循三次多项式规律，其最大厚度位于60％弦长处，且最大厚度为2.0mm。圆台形导流翼片底面的形状由底面中弧线及底面翼片厚度变化模型确定。底面翼型厚度沿中弧线连续变化，变化模型为三阶多项式，因此导流翼片底面的形状实际上由两段三阶多项式曲线所组成。
为使旋流气流转化为轴流气流，并减弱导流翼片对流场的扰动，减少能量损失，经研究发现，导流翼片前缘进气角α由底面中弧线前端与管段圆周间的夹角构成，α＝55°～85°，本实例导流翼片前缘进气角α＝66°；后缘出气角β由底面中弧线后端与管段圆周间的夹角构成，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曲线型底面中弧线的形状。
图4所示是导流翼片立体结构图。该超声速扩压器设有三片导流翼片。翼型顶部收缩成平行于轴线的直线11，长8.5mm。对顶部直线和底面两边界线进行线性插值，得到翼型两侧面上各点的坐标，从而确定翼型的两侧面，两侧面的形状由底面的形状及顶端直线所确定。侧面9略成凹面形为压力面，侧面10略成凸面形为吸力面。导流翼片截面形状如剖面5、图6、图7所示，各剖面图剖视位置如图4所示，各剖面与轴向垂直。
该超声速扩压器可将旋流气流转化为轴流气流，具有较高的扩压效率，具有较强的抗压力波动干扰能力，能提高超声速旋流天然气分离器的升压比，增强超声速旋流天然气分离器的适用性。
权利要求
1.一种用于超声速旋流天然气分离器的超声速扩压器，由收缩段(1)、直管段(2)、圆弧扩张段(3)、导流翼片(4)和直线扩张段(5)构成，其特征是，收缩段(1)型面曲线变化遵循高阶多项式规律，长度为0.2～5倍扩压器入口段管径，收缩角为15°～50°，扩张段包含圆弧扩张段(3)和直线扩张段(5)，扩张段的扩压角为4°～15°，扩张管内设有2～6片导流翼片(4)。
2.根据权利要求1所述的超声速扩压器，其特征是，收缩管段型面曲线为三次多项式或者五次多项式，端点切线与轴线平行，实现与直管段(2)的光滑连接。
3.根据权利要求1所述的超声速扩压器，其特征是，收缩段(1)与圆弧扩张段(3)之间为直管段(2)，其长度为0.5～6倍的管径。
4.根据权利要求1所述的超声速扩压器，其特征是，扩张段包含圆弧扩张段(3)和直线扩张段(5)，直管段(2)和直线扩张段(5)通过圆弧扩张段(3)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，导流翼片(4)底面为圆台面，底面前缘进气角α＝55°～85°，底面后缘出气角β＝90°，底面最大厚度位于50％～80％弦长处，且最大厚度为0.5～4.0mm。
6.根据权利要求1所述的超声速扩压器，其特征是，导流翼片顶部收缩成平行于轴线的直线。
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扩压器，是该分离器的重要部件，该扩压器由收缩管段、直管段、扩张管段和导流翼片四部分组成。收缩段型面曲线为高阶多项式，扩张段型面曲线为圆弧加直线，各段之间光滑连接减少气流的扰动。导流翼片底面为圆台面，与翼段管的内壁相吻合，并固定在内壁上。底面中弧线为高阶多项式曲线，底面翼型厚度变化遵循高阶多项式规律。导流翼片顶部收缩成一条平行于轴线的直线。该超声速扩压器内设2～6片导流翼片，可将旋流天然气流转化为轴流，具有较高的扩压效率，具有较强的抗压力波动干扰能力，能提高超声速旋流天然气分离器的升压比，增强超声速旋流天然气分离器的适用性。
文档编号B04C5/00GK101053857SQ20071001370
公开日2007年10月17日 申请日期2007年2月12日 优先权日2007年2月12日
发明者曹学文, 杜永军 申请人:曹学文