一种弯曲变截面流道型轴流式气波引射器

1.本发明涉及一种弯曲变截面流道型轴流式气波引射器，属于以气体射流实现引射、增压领域。


背景技术：

2.气波引射器是一种新型的压力能综合利用技术，在气体能源开采等诸多领域具有重要的应用价值。目前用于引射增压以实现压力能综合利用的装置主要有压缩
‑
膨胀机组以及静态引射器等设备。
3.压缩
‑
膨胀机组主要通过涡轮的高速转动实现能量传递，带液性能差，制造、维护费用高；静态引射器通过高低压气体的直接混合进行能量交换，虽结构简单，但能量传递效率较低。
4.气波引射器则是利用非定常压力波来实现能量传递，结构简单、效率较高且带液能力强，如专利轴流式射流气波增压器cn201220115597.0等，但其工作时存在较大的气体入射与排出流动损失，且其在一定工况范围内中压产气的静压占比也相对较低，另外其还具有喷嘴间偏角调节难度大、喷嘴与转鼓间隙无法实时监控等问题。
5.因此，如何减少气体入、出射损失，提升中压产气中的静压占比从而减少后续气体能量损失，增强设备可调性是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本发明提供一种轴流式气波引射增压装置，其采用弯曲变截面型转鼓流道，能有效减小气体射流损失、提升中压产气静压占比、减少功耗；本发明中配有偏角调节板、间隙观察口等，易于喷嘴间偏角的调节以及喷嘴与转子端面间隙的实时监控。
7.本发明所采取的技术解决方案为：
8.一种弯曲变截面流道型轴流式气波引射器，主要由封头、传动轴、偏角调节板、出流间隙观察口、转鼓、低压喷嘴、底座、高压喷嘴、入流间隙观察口、中压喷嘴、外壳和支撑板组成。转鼓内筒的外壁面与转鼓外筒的内壁面之间具有若干弯曲叶片，且叶片高度存在变化，该叶片与转鼓内、外筒密封连接，形成数量与叶片数相同的两端开口周边封闭的弯曲变截面流道。转鼓通过轴承组固定于底座，在传动轴带动下绕底座伸出的支撑轴在其两端固定的压力喷嘴间旋转。转鼓流道旋转至与高压喷嘴接通时，高压气体射流进入流道产生一系列压缩波，并最终汇聚成为激波压缩流道中的气体使其升压至中压压力；当流道继续旋转至与中压喷嘴接通时，流道内中压气体排出，此时激波会在流道出流端发生开口反射产生一系列膨胀波传回至流道入流端；流道继续旋转离开高压喷嘴时会产生一系列膨胀波从流道入流端向出流端传播，其与开口反射产生的膨胀波共同作用，在流道入流一测形成一定长度压力低于低压被引射气体压力的深度膨胀区；当流道继续旋转至与低压喷嘴接通时，低压气体被抽吸进入流道重复上述增压过程。
9.本发明的流道可沿螺旋线弯曲，具有固定的螺旋升角，也可呈圆弧状弯曲、幂函数曲线弯曲等其他弯曲形式，使流道入流端、出流端与转鼓的轴线形成不同大小的夹角。流道入流端与流道轴线存在一定的夹角使得从喷嘴中沿轴向喷出的入流气体，相对于旋转的转鼓沿流道延伸方向进入流道，从而减少气体入射损失。流道出流端与轴线的夹角可调整出流气体的绝对速度方向，使出流气体沿轴向流入中压喷嘴，减少其周向速度分量耗散造成的能量损失，提升设备效率；也可调整流道出流端角度使气体朝转鼓旋转反方向排出，从而使排气对转鼓产生一定推动作用，降低设备功耗或对外输出轴功。
10.流道的渐扩或突变式截面变化，可提升流道入流端的膨胀深度，实现流道内气体动压回收、增大中压产气静压占比，提升产气利用价值，降低产气后续流动损失，使设备在进气条件及中压静压相同时的引射率更高。
11.本发明调节高压喷嘴与中压喷嘴偏角时，只需通过旋转偏角调节板即可带动与其连接的支撑板进行旋转，从而使固定于支撑板上的中压喷嘴旋转至所需角度，再通过固定于角度锁定试块的紧定螺钉锁定其周向位置，并通过将偏角调节板固定于封头以锁定轴向位置。为增强周向锁紧力，可分别在偏角调节板和封头上配备多组齿式分度盘与角度锁定试块，为控制角度分度盘的最小分度，可在角度调节板上配备多层分度齿。采用本发明中的偏角调节机构可在不拆解设备部件的情况下进行喷嘴间的偏角调节，增强了设备的可调性。偏角调节板内也可选装轴承以增加对传动轴的约束，提升设备运行稳定性。
12.本发明中为保证转鼓在高压喷嘴与中压喷嘴间稳定旋转，转鼓端面与喷嘴端面需保持一定的间隙。本发明在外壳上设有入流间隙观察口和出流间隙观察口，且需使转鼓端面位于观察口的上下边界之间。通过观察口可在设备安装及运行时对喷嘴与转鼓间的间隙进行实时监控而无需拆解设备其他部件，为设备使用提供便利。
13.本发明的有益效果是：
14.本发明采用的弯曲变截面型流道可有效减少气体入射与排出损失，也可通过调整流道出口端角度，实现利用气体能量推动转鼓旋转以减少设备功耗；流道的渐扩或突变式截面变化可提升流道内的膨胀深度、回收流道内气体动压，从而提高中压产气静压占比，使设备在进气条件及中压产气静压相同时的引射率更高。
15.本发明所采用的偏角调节机构可在不拆解设备其他部件的情况下在设备外部对喷嘴间偏角进行调节，增强了设备可调性，且在偏角调节板内部可增设轴承组以约束传动轴，有助于提升设备运行的稳定性；本发明设置间隙观察口，有助于设备安装调试及运行时，在不拆解设备的情况下对喷嘴与转鼓间间隙进行实时监测。
16.本发明的气波引射器具有能量利用率高、引射能力强、方便调节等特点，可广泛应用天然气开采等领域以实现压力能的综合利用。
附图说明
17.图1是本发明一种弯曲变截面流道型轴流式气波引射器的结构示意图。
18.图2是各压力喷嘴及转股间的位置关系示意图
19.图3是流道弯曲变截面形式之一，螺旋渐扩型流道的转鼓。
20.图4是流道弯曲变截面形式之一，圆弧突扩型流道的转鼓。
21.图5是偏角调节板示意图。
22.图6是图1中a的放大图。
23.图7是图1中b的放大图。
24.图中：1角度锁定试块；2中压腔；3中压导流口；4出流间隙观察口，41间隙观察口盲板；5转鼓，51转鼓内筒，52转鼓弯曲叶片，53转鼓外筒；6低压喷嘴；7低压导流口；8底座；9低压腔；10高压腔；11高压导流口；12高压喷嘴；13入流间隙观察口；14轴承组a；15流道；16中压喷嘴；17外壳；18支撑板；19封头；20轴承组b；21传动轴；22偏角调节板；23角度分度盘；24锁紧螺钉。
具体实施方式
25.本发明一种弯曲变截面流道型轴流式气波引射器的一种典型的实施方法描述如下，但不只局限与此种实施方法。
26.如图1所示，本发明的一种弯曲变截面流道型轴流式气波引射器主要由封头19、传动轴21、偏角调节板22、转鼓5、低压喷嘴6、底座8，高压喷嘴12、中压喷嘴16、外壳17和支撑板18组成。
27.外壳17为筒体结构，封头19和底座8分别安装在外壳17的两端，使外壳17内部形成密封结构；传动轴21、转鼓5、低压喷嘴6、高压喷嘴12、中压喷嘴16和支撑板18位于外壳17内；偏角调节板22位于外壳17外，且固定在封头(19)上；
28.转鼓5包括转鼓内筒51、转鼓外筒53和转鼓弯曲叶片52；转鼓内筒51的外壁面与转鼓外筒53的内壁面之间具有若干转鼓弯曲叶片52，且叶片高度和叶片间宽度存在变化，转鼓弯曲叶片52与转鼓内筒51、转鼓外筒53密封连接，形成数量与叶片数相同的两端开口周边封闭的弯曲变截面流道15。转鼓5通过轴承组a14固定于底座8的支撑轴上，支撑轴向外壳17内侧伸出，转鼓5可绕支撑轴在高压喷嘴12和中压喷嘴16间旋转；流道15的位置与高压喷嘴12和中压喷嘴16相对应。
29.底座8内部通过隔板分隔出两个气腔，分别作为低压腔10和高压腔9，低压腔10和高压腔9上设有与外部气源连通的接口作为装置入口；底座8上开设低压导流口7和高压导流口11，分别使低压腔10和高压腔9与外壳17内部连通；半环状的高压喷嘴12和低压喷嘴6通过螺栓连接固定于底座8且分别与高压导流口11和低压导流口7的上端面重合，高压喷嘴12和低压喷嘴6共同组成环状结构，且各喷嘴上均有一定长度的弧状开孔；喷嘴上弧状开孔的内、外弧直径分别与转股入口端的内筒外壁面直径和转股外筒内壁面直径相等，从而使弧状孔内、外弧间的垂直距离，即开孔高度与流道入口端高度相等；高、低压喷嘴的始、末边均为径向线，且四条线互不重叠。
30.支撑板18为底部外侧带有伸出平板的筒体结构，带有平板的一端靠近转鼓5，平板的外边缘与外壳17内壁密封连接，平板上开设有环状的中压导流口3；支撑板18的筒体的外表面以及平板的上表面、封头19的下表面与外壳17的内壁面包围部分形成装置的中压腔2；环状的中压喷嘴16通过螺栓固定连接于支撑板18的底部，且与中压导流口3下端面重合，中压喷嘴16上开有一定长度的弧状开孔；中压喷嘴16弧状开孔的内、外弧直径分别与转股出口端的内筒外壁面直径和转股外筒内壁面直径相等，开孔高度与流道出口端高度相等，中压喷嘴的始、末边与高、低压喷嘴的始、末边错开一定角度(错开角度为0～180
°
)；气流从低压腔10和高压腔9进入低压喷嘴6和高压喷嘴12中，然后进入流道15，再进入中压喷嘴16，最
后进入中压腔2。
31.封头19将支撑板18的顶端与外壳17之间密封为一体，封头19上带有角度锁定试块1；偏角调节板22为环状结构，其外侧边沿上设有齿式分度盘23，偏角调节板22通过螺栓固定于封头19上；角度锁定试块1上设有与齿式分度盘23的分度齿相对应的螺纹通孔，角度锁定试块1数量与齿式分度盘23数量相等，角度锁定试块1上的螺纹通孔数量与分度齿的层数相等，锁紧螺钉24通过螺纹通孔插入至相邻两分度齿之间锁定角度；支撑板18通过螺栓与偏角调节板22的底部相连，偏角调节板22又通过螺栓固定于带有角度锁定试块1的封头19上；角度调节板22的旋转可带动与其相连的支撑板18旋转相同角度，从而实现中压喷嘴16与高压喷嘴12之间的偏角调节；传动轴21穿过偏角调节板22和支撑板18的筒芯进入到转鼓5内，传动轴21的一端通过螺栓与转鼓5连接以带动转鼓5旋转，另一端可通过轴承组b20固定于偏角调节板22的内壁上；
32.外壳17上设置有入流间隙观察口13与出流间隙观察口4，入流间隙观察口13与转鼓5的入口端面相对应，出流间隙观察口4与转鼓5的出口端面相对应。
33.转鼓内筒51外壁面与转鼓外筒53的内壁面均与转鼓弯曲叶片52密封连接以形成弯曲变截面流道15的结构，形式之一是在转鼓内筒51的外表面根据流道15的设计形式加工出数量满足流道15数要求的弯曲叶片，加工转鼓外筒53内壁面使其满足转鼓内筒51同心放置于转鼓外筒53内时，各位置与转鼓弯曲叶片52端面间隙满足钎焊要求；将转鼓内筒51同心放置于加工后的转鼓外筒53内进行整体钎焊加工，使转鼓内筒51上的叶片端面与转鼓外筒53的内壁面密封连接以形成两端开口、周边封闭的流道15。
34.转鼓内筒51的外壁面与转鼓外筒53的内壁面均与转鼓弯曲叶片52密封连接以形成弯曲变截面流道15的结构，形式之二是通过冲压或铸造等方式加工出数量与流道15数相等且满足流道15设计的转鼓弯曲叶片52，将叶片均布焊接于转鼓内筒51的外壁面，加工转鼓外筒53内壁面使其满足焊接叶片后的转鼓内筒51同心放置于其内部时，各位置与转鼓弯曲叶片52端面间隙满足钎焊要求，将同心放置好的各部件整体钎焊使叶片另一端面与转鼓外筒53的内壁面密封连接以形成两端开口、周边封闭的流道15；也可分别加工转鼓内筒51的外壁面与转鼓外筒53的内壁面，使内筒同心置于外筒内时，各位置两壁面的距离等于相应位置流道高度即转鼓弯曲叶片52高度与两倍钎焊所需间隙之和，将按照流道设计加工的转鼓弯曲叶片52沿轴向均布插放于同心放置的内外筒间并在轴向两端进行固定，整体钎焊以形成两端开口、周边封闭的流道15。
35.流道15可沿螺旋线弯曲，具有固定的螺旋升角，即流道与转鼓5轴线夹角固定，此夹角α范围是0
°
～90
°
(图2为此种流道弯曲形式示意图)；流道15也可采用圆弧状、幂函数曲线型弯曲等其他弯曲形式，且流道15入流端与轴线的夹角β和出流端与轴线的夹角γ不同，各夹角的范围是0
°
～90
°
(图3为此种流道弯曲形式示意图)。
36.流道15流通截面积的变化方法为流道15高度改变，宽度改变，或者高度与宽度同时改变。流道15可采用入流端开始先保持不变再向出流端逐渐扩大的截面变化方式，渐扩段长度占通道总长的比例是0％～100％，出流端与入流端面积比n的范围是1～25(图2为此种流道变截面形式的示意图)；流道15流通截面的变化形式也可采用由入流端开始先保持不变再突变增大，并逐渐扩大至出流端，突变增大后的流道15流通面积与入流端面积比n1的范围是1～25，流道最终出流端与入流端面积比n2的范围是1～625，突变后渐扩段长度占
通道总长的比例是0％～100％(图3为此种流道变截面形式的示意图)。
37.图4所示为本发明中偏角调节板22的示意图，偏角调节板22通过螺栓与支撑板18相连，通过旋转偏角调节板22即可带动与其相连的支撑板18连同固定于支撑板的中压喷嘴旋转相同角度。在进行中压喷嘴16与高压喷嘴12之间的偏角调节时，首先旋转偏角调节板22以获得所需的高、中压喷嘴间偏角，再将锁紧螺钉24通过角度锁定试块1插入两分度齿之间实现周向固定，最后通过螺栓将偏角调节板22固定于封头19以实现轴向位置固定(安装方式如图5所示)。角度调节板22内可选装轴承组b20及相关配件用于给传动轴施加径向约束，利于设备的稳定运行
38.偏角调节板22上带有1～16个齿式分度盘23，每个分度盘23的始末边夹角范围是0
°
～360
°
，每个分度盘23所具有的分度齿层数是1～10层，相邻分度齿中心线夹角范围是0.1
°
～10
°
；偏角调节板22上均布2～24个弧状孔，弧状孔的角度与齿式分度盘23的始末边夹角相等；封头19上的角度锁定试块1数量与齿式分度盘23数量相等，试块上的螺纹通孔数量与分度齿的层数相等。
39.外壳17上设置有入流间隙观察口13与出流间隙观察口4各1～16个，且其形状为圆形或方形；观察口为方形时，其始末边夹角范围是5
°
～90
°
，高度范围是10mm～200mm，且需保证转鼓5端面位于其上下边界之间；观察口为圆形时，其直径范围是2mm～300mm，且需保证其圆心处于转鼓5端面所在平面。如图6所示，以出流间隙观察口4为例，设备通气运行时，采用间隙观察口盲板41将观察口封闭以防止气体泄漏，而在进行间隙检测与调节时，则需将间隙观察口盲板41打开，利用测量工具经间隙观察口4进行测量。
40.支撑板18的上表面及其伸出段的外表面、封头19的下表面与外壳17的内壁面包围部分形成装置的中压腔2；设备底座8内部通过隔板分隔出1～16个气腔作为装置低压腔10和高压腔9。