一种用于深海天然气水合物流化开采管道输送的螺旋流发生装置

1.本发明涉及流体输送技术领域，尤其是一种用于深海天然气水合物流化开采管道输送的螺旋流发生装置。


背景技术：

2.螺旋流是一种具有旋转流场的流动形式，管内流体同时具有轴向及切向速度，在现代管道流体输送中应用广泛。这种流动方式减少了介质相互之间的冲击和摩擦做功，大大降低了管线的总体能耗；并且，螺旋流对于管内固体颗粒、积液的携带效果也有一定作用。因此螺旋流的携液也是目前研究的一个方向。与此同时螺旋流的相关技术应用也进入了人们日常生活领域，如螺旋流节能煤气灶等。螺旋流应用的关键在于其发生装置，目前来讲，产生方法多种多样。
3.目前已有很多研究者致力于发明起旋效果更好的螺旋流发生器。例如专利“涡旋发生器”(公开号cn 2869720y)提供了一种涡旋发生器，包括圆钢管、圆钢和四块螺旋叶片。此装置可以产生一定程度的螺旋流并提高部分流体的输送效率，但是依然有一些没有解决的问题：该装置制作工艺简单，但是所产生的螺旋流强度不高，安全性、可靠性较差。其通过将四支很薄的叶片设置在内壁上，起旋器前后没有任何阻滞、整流措施，当有浆体流过时，流体甚至固体颗粒会对叶片造成很大的冲击，迁延日久就会造成起旋器损坏，甚至威胁整段管道安全；由附图还可发现，有一部分流体不与叶片接触，直接通过相邻起旋器叶片之间的空隙，会对已起旋的流体造成干扰，并且，在此之后没有采取任何强化措施，会显著降低旋流效果。另外，专利“一种螺旋流发生装置”(公开号cn208578807u)，专利采用整理叶片、启旋叶片、增强叶片以及轴相互组合的方式起旋，相对于前者来说，缓解了浆体对于起旋器的大规模冲击，而且螺旋流流型保持好。但是该发明也存在明显的缺陷：1、启旋叶片结构过于简单，流体流过后产生的螺旋流效果不好，因此启旋作用相当于全部由增强叶片承担。2、此装置需要外部能源加持，而且增强叶片采用传统的螺旋桨式动力旋叶，能耗依然较大。专利“一种螺旋流发生装置”(公开号cn102913516a)，该装置由起旋器主板、导流片和加固物构成，通过过流孔以及导流片相互组合的方式来达到起旋效果。该装置的优势在于制作简单，拆装方便，起旋效果明显。但是，当管内浆体流量较大时，管道中的浆体无法及时通过过流孔，会与起旋器平面发生碰撞，对起旋器产生冲击，并损耗流体部分能量，还有一定可能会在起旋器与管道形成的夹角出发生固态颗粒积聚。专利“一种圆锥式螺旋流发生器”(公开号cn102927443a)，该发生器由法兰、筒体和翅片三部分组成，其中，所述筒体下段为圆柱形筒体，上段为圆锥形型筒体，圆锥形筒体上设有过流孔与翅片。相对于之前几种发明，该装置优势显著，通过采用圆锥翅片式起旋，结构新颖，螺旋效果好，螺旋强度大，且整体易于安装，能耗低，且抗流体冲击能力强，可靠性好。但是仍有一些瑕疵，当流体流量较大时，起旋器仍然会对浆体产生一定程度的阻滞，消耗浆体自身能量，并有可能造成一定程度的水击现象。就目前来说，已经存在相当多的螺旋流发生装置，但是或多或少都有一些缺陷，例
如抗冲击强度不高、能耗大以及螺旋流流型保持效果差、未对多相混合流体中的固体颗粒进行处理等问题。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中之不足，本发明提供一种用于深海天然气水合物流化开采管道输送的螺旋流发生装置，在产生螺旋流时更加高效节能，注重起旋强度、旋流保持效果以及大幅降低流体与起旋器碰撞接触而造成的能量损失。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于深海天然气水合物流化开采管道输送的螺旋流发生装置，具有内径为d的筒体，所述的筒体内沿流体流动方向依次设有预起旋整流器、核心起旋器和继旋粉碎器。
6.所述预起旋整流器：具有中心轴，环绕中心轴均布有4～6个呈倾斜梯状的导流体，所述导流体的上表面间隔排列有9～12个铲头状的第一锯齿锥，导流体内侧与中心轴固接，导流体外侧与筒体内壁固接；
7.所述核心起旋器：具有中心固定轴，环绕中心固定轴均布有5～8个呈倾斜渐变叶片式的导流片，导流片的倾斜面上安装有两组铲头状的第二锯齿锥，所述导流片内侧与中心固定轴固接，导流片外侧与筒体内壁固接；
8.所述继旋粉碎器：包括环绕固接在筒体内壁的若干组呈铲头锯齿状的导流板，每组导流板均由三个长短不一、尖端含有锯齿尖锥的倾斜的导流条构成，自中心固定轴向筒体内壁所述导流条的长度由长变短。
9.优选地，所述的导流体径向截面为梯形且与流体流动方向所成角度为26
°
～36
°
，第一锯齿锥的锥体两侧均平行于流体起旋方向且相互之间留有宽度为0.125d～0.025d的过流空隙。
10.为实现浆体的分流，保持预起旋整流器运行中的稳定性，所述的中心轴由前部的圆锥以及一个同心圆柱构成，中心轴的直径为d/8，其中圆锥部分高为d/5～d/4，圆柱部分高为d/2。
11.具体说，所述的导流片轴向截面为扇形，横截面为三角形且自流体流动方向由厚变薄，导流片的轴向倾角为45
°
～72
°
，第一组第二锯齿锥的数量为9～12个、第二组为5～8个，相邻第二锯齿锥之间距离为0.125d～0.025d，所述第二锯齿锥的锥体两侧平行于流体起旋方向且相互之间留有宽度为0.125d～0.025d过流空隙。
12.为确保核心起旋器的稳定运行，所述的中心固定轴具有圆锥以及一个同心圆柱，中心固定轴直径为d/20，其中圆锥部分高为d/16～d/20，圆柱部分高为0.14d～0.23d。
13.具体说，所述的筒体内壁固接有周向均布的的五组导流板，所述导流板的侧视截面为三角形，每组导流板具有自筒体中心向筒体内壁逐次安装的由长到短的三个导流条，相邻导流条之间留有宽度为1/8d～1/6d的过流间隙，且每个导流条自筒体中心向外由薄变厚，导流条前部最薄处尖端安装有呈细密状分布的锯齿尖锥。
14.进一步地，所述的每组导流板中，较长的两条导流条内部边缘凹陷截面为圆弧状，曲率为4/3d～2d。
15.所述的第一锯齿锥、第二锯齿锥均由一个三棱柱和7～12个小四棱锥拼接而成，其中第一锯齿锥的小四棱锥拼接在三棱柱的短边上，第二锯齿锥的小四棱锥拼接在三棱柱的
长边上，第一锯齿锥、第二锯齿锥的主要区别为前者锥体斜面倾斜角度与后者不同，两者斜面角度均与所对应安装的导流体、导流片的倾斜角度有关。
16.上述预起旋整流器、核心起旋器和继旋粉碎器相互间的安装距离为2～3d，工程应用中可根据流体流动参数适当调整。
17.本发明的有益效果是：
18.(1)、装置整体采用预起旋、核心起旋、继旋三个步骤实现流体起旋，结构新颖，流体产生的螺旋流效果明显，流型衰减慢。
19.(2)、预起旋采用导流体与锯齿锥相结合的方式，可更好地引导筒体内流体产生旋流效果，并对流体中的固体颗粒进行破碎。每组锯齿锥相互之间留有空隙，不仅减小了流体对筒体的冲击，而且强化了起旋效果。
20.(3)、核心起旋采用倾斜渐变叶片式导流片，导流片边缘与筒体焊接，避免了流体接触导流体而产生的大量能量损耗，流体过流空间宽广，管内流体流量较大时起旋叶片对于流体的阻滞作用很小；导流片由厚变薄，应对流体对导流片不同部位冲击力的同时减少了材料消耗。
21.(4)、继旋的导流板采用三个长短不一的导流条相互间隔的安装方式，周向环绕安装在筒体边缘，主要针对管道外围含固体颗粒的流体，对其进行强化起旋以及颗粒破碎，并在内部截面设计成圆弧状，减小了对管道中心流体旋流的影响。
22.(5)、本装置整体外观为圆筒状，筒体可直接接入相应管道线路，与现有管线兼容性高，筒体使用法兰与待接管道相连，拆装、维护方便。
23.(6)、不需要添加其他的耗能设备，且由于导流片与流体呈一定角度，使得起旋器主结构对流体的阻挡效果大幅降低，流体动能损耗明显降低。
附图说明
24.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
25.图1是本发明的三维结构示意图。
26.图2是本发明所述预起旋整流器的三维结构示意图。
27.图3是预起旋整流器所用导流体的三维结构示意图。
28.图4是本发明所述核心起旋器的三维结构示意图。
29.图5是核心起旋器所用导流片的三维结构示意图。
30.图6是本发明所述继旋粉碎器的三维结构示意图。
31.图7是继旋粉碎器所用导流板的三维结构示意图。
32.图8是本发明所述第一、第二锯齿锥的三维结构示意图。
33.图中：1－筒体；2－中心轴；3－导流体；4－第一锯齿锥；5－导流片；6－中心固定轴；7－第二锯齿锥；8－导流板；9－螺栓孔；10－法兰。
具体实施方式
34.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
35.如图1所示的一种用于深海天然气水合物流化开采管道输送的螺旋流发生装置，
具有内径d为400mm的筒体，所述的筒体1内沿流体流动方向依次设有预起旋整流器、核心起旋器和继旋粉碎器，筒体1端部固接有法兰10，法兰10周向均布有六个螺栓孔9，通过螺栓和法兰9使本装置牢固连接在待接管道上。
36.如图2、图3所示，所述预起旋整流器：呈倾斜梯状的四个导流体3沿周向均匀分布在中心轴2四周，导流体3中线相互之间呈90
°
角，导流体3厚度为45mm，导流体3的斜面与流体流动方向所呈夹角为26.3
°
，导流体3外侧与筒体1内壁焊接，导流体3内侧端与中心轴2焊接固定，导流体3的上表面间隔排列有九个铲头状的第一锯齿锥4，第一锯齿锥4的锥体两侧均平行于流体起旋方向且相互之间留有宽度为20mm的过流空隙。所述的中心轴2由同心圆柱和圆锥组成，其中的圆柱直径为50mm、高为200mm，圆锥直径为50mm、高为100mm。
37.如图4、图5所示，所述核心起旋器：是流体起旋的主体部分，五个呈倾斜渐变叶片式的导流片5均匀环绕在中心固定轴6四周，导流片5的轴向倾角为72
°
；导流片5外侧截面与筒体1内壁焊接，导流片5内侧边缘焊接在中心固定轴6上，导流片5轴向投影为扇形、径向投影为三角形。所述导流片5自流体流动方向由厚变薄，导流片5最厚处为40mm，导流片5的倾斜面上安装有两组铲头状的第二锯齿锥7，第一组第二锯齿锥7的数量为10个、第二组为6个，所述的第二锯齿锥7的锥体两侧均平行于流体起旋方向，且相互之间留有宽度为20mm的过流空隙。中心固定轴6具有圆锥以及一个同心圆柱，其中圆柱直径为20mm、高为56mm，圆锥直径为20mm、高为40mm。
38.如图6、图7所示，所述继旋粉碎器，安装在筒体1的底部，主结构由环绕焊接在筒体1周壁的五组三联装锯齿形的导流板8构成，每组导流板8包含轴向截面直线长度分别为40mm、140mm、240mm的三个前部边缘为锯齿铲头状的长条形导流条，三个导流条自筒体1中心向筒体1内壁由长到短、以轴向倾角72
°
倾斜逐次安装，相邻导流条相互之间间隔距离为100mm；每个导流条自筒体1中心向外由薄变厚，位于导流条前部最薄处尖端安装有呈细密状分布的锯齿尖锥。每组导流板8中，较长的两条导流条内部边缘具有曲率为400mm的圆弧形凹槽。
39.如图8所示，作为颗粒破碎功能的主要承担者兼对流体进行引导起旋，所述的第一锯齿锥4、第二锯齿锥7的主结构均为三棱柱和小四棱锥的组合体，作为锯齿的四棱锥底边长与三棱柱轴向截面长方形的宽度相等，在三棱柱轴向截面上紧密安装十个小四棱锥，三棱柱斜面紧密安装在对应的导流体3、导流片5的斜面上，并使三棱柱的锥体轴线与筒体1轴线平行。
40.上述三棱柱斜边长为33mm，另外两条棱长度分别为20mm和24mm，高为2.5mm，所接小四棱锥底面为正方形，边长为2.5mm，高为8mm，三棱柱斜边倾斜角度与其对应的导流平面倾角相同。
41.在工程应用中，如果需要在长距离管道中安装多个螺旋流发生器，两螺旋流发生器之间的距离为3.5km。
42.使用时将该螺旋流发生装置连接在前后两段管道中间即可，管道里一般输送的流体为固、液、气其中两相或者三相的混合物。该装置的主要工作原理为：首先，具有一定初速的多相流体自预起旋整流器流入管道，管道中央的流体被中心轴2的圆锥分流到四周，起到一定的掺混效果，并显著缓解中央流体对起旋部分的冲击、维持了起旋器的稳定性；之后流体一部分接触导流体3斜面，产生切向速度和径向速度，另一部分未和导流体3斜面直接接
触，但是流经预起旋器时会受到已起旋流体的碰撞作用，产生弱螺旋运动，并因此使流体之间相互掺混；此外，导流体3斜面上安装的第一锯齿锥4会直接粉碎与锥体接触的固体颗粒，且第一锯齿锥4之间的过流空隙亦可加强导流、起旋作用。之后产生弱螺旋运动并已经相互掺混、初步破碎的多相流体流入核心起旋器，已经产生弱旋流效果的流体流过倾斜渐变叶片式的导流片5时，由于导流片5倾斜角度较大，且所有流体完全接触导流片5平面，因此当流体流过导流片5时会产生较大的周向速度，产生强螺旋运动；流体中的固体颗粒接触导流片5上安装的第二锯齿锥7时被第二次破碎；导流片5由厚变薄，因为导流片5前部所接触流体主要流动方向未改变，所受冲击较大，而后部所接触流体大部分已经产生较强的周向速度，导流片5所受冲击力较小；中心固定轴6的圆锥比中心轴2的圆锥直径更小而不再承担分流作用，主要效果为维持起导流片5之间的稳定。流体保持强螺旋运动一段距离后，流入下部的继旋粉碎器，固体颗粒和液体的混合物由于受到离心作用主要位于筒体1内腔外围，气体以及部分液体位于筒体1内腔中心，此时继旋粉碎器的主要作用为加强筒体1内腔外围流体的起旋效果并第三次将剩余的固体颗粒破碎。由于五组三联装的导流板8位于筒体1四周，因此筒体1中央及附近流体继续保持原有旋流效果；含有固体颗粒的管内外侧流体流入继旋粉碎器后，固体颗粒接触导流板8尖端的锯齿尖锥而被破碎，流体受到导流板8的引导，从各个导流板8之间的空隙处流过，继续强化旋流效果；由于导流板8径向截面为三角形，由薄变厚，减小了流体冲击并加强了破碎效果；导流板8内部截面设置的圆弧状凹槽，还可维持筒体1中央流体的旋流效果。
43.本发明采用三步起旋方式，使流体产生流态稳定、不易衰减的螺旋流运动，降低了流体由于轴向流动而对核心起旋器产生的冲击，降低了由于碰撞而造成的能量的损耗，对流体所含固体颗粒进行大规模破碎，并对流体进行掺混，避免了沉淀物以及其他物质粘附在管道上。
44.如果将本发明应用在长距离管道中，为了应对流体在长距离流动中产生的旋流效果衰减，应每隔一段距离(2～3km)就安装一个螺旋流发生器。另外，根据所输送流体的流速、性质、种类、管道内径，可以适当调整导流体3与流体轴向流动方向的角度、导流片5的厚度、导流板8以及第一锯齿锥4、第二锯齿锥7的安装数量以达到最佳输送效果，并降低安装维护成本。
45.本发明无需任何外部能源驱动，仅靠流体最初的轴向速度以及产生的离心力，即可实现螺旋和轴向流动以及对固体颗粒的粉碎作用，减少了流体管输途中对外来动力的依赖。本螺旋流发生器结构新颖，起旋效果好，流体流经该装置时能量损耗小、对起旋器的冲击破坏程度低，使用时通过法兰10与待接管道密闭相连，拆装便捷，运行稳定性好、安全性高。
46.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。