湍流膨胀机制造技术

一种利用压力气体膨胀制冷，并可自动起动运行的湍流膨胀机，其特征是在叶棚至声颈管的分离点处设置了热壁转捩点调节结构；并利用湍流膨胀机本身产生的幅射热量而设置了湍流效应相互利用结构；膨胀机的带液调节结构采用超湍流流态调节结构，从而进一步提高了低温进气的等熵膨胀效率及大幅度地减少机器的重量和体积，该装置是用于油田回收轻油、液化气，从化工厂尾气中回收有用组分的理想设备。（*该技术在2007年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术是一种利用压力气体膨胀制冷的湍流膨胀机，现有的旋转式热分离器用湍流结构措施改进后则发展为湍流膨胀机。法国纳特公司1974年的美国专利号3828574，英国专利号1485669提供的旋转式热分离器，其特征是小扰动结构。这种结构，作为动力气的冷气体的强迫幅值与作为接受气的热气体响应幅值近似相等，所以它的等熵膨胀效率较低，并已为国内样机所证实，其效率只有40-50%，它的攻角是错的，所以它的起动运行靠外部电机。1980年法国《石油与技术》，1984.12美国《油气杂志》中报导的法国纳特公司八十年代的旋转式热分离器，其等熵膨胀效率高达83%，气动转速2000-3000γ/min。它的不足之处在于低温进气时，效率较低、纳特公司仅保障实际运行效率不低于60%;机身庞大、既浪费材料，又不利于轻变灵活的橇装化;其带液调节结构是由出口温度传感器控制热分离器进口联接处的通道阀组成。当出口温度升高(效率下降)时，通道阀自动打开，使200-300℃的高温气体喷射到热分离器里，这种急剧加热的目的是气化旋转喷嘴上形成的液化物，两分钟后阀关闭，恢复正常循环，这种调节方式虽然可取，但影响低温分离流程的热平衡，从而影响收率。本专利技术的任务是提供一种可以提高低温进气时的等熵膨胀效率，同时大幅度减轻机器重量、减小机器体积的湍流膨胀机。湍流膨胀机的特征是在现有旋转式热分离器的基础上，用湍流原理及实验数据而设计的湍流膨胀机，该膨胀机的带液调节结构采用超湍流流态调节结构;根据湍流产生率确定结构分离点;根据结构分离点确定声颈管长度;在结构分离点处设置了热壁转捩点调节结构;并利用湍流效应产生的辐射热量设计了湍流效应相互利用结构，本专利技术提供了全湍流流态结构等相互关连的结构措施。附图1是湍流膨胀机缩小比例的侧视整体图。附图2是附图1的A向局部视图。附图3是超湍流流态带液调节结构示意图。附图4是热壁转捩点调节结构(7)的位置示意图。附图5是联合产能装置(8)与管线(9)热壁转捩点(7)的位置示意图。附图6是附图5的B向视图。附图7是叶栅(2)里的超声速扩压器与旋转喷嘴(1)的示意图。从附图3可以看出湍流膨胀机提供的超湍流态调节结构是由风机(10)、温度传感器(12)和风机出口阀(11)组成，风机(10)的叶轮与旋转喷嘴(1)装在同一主轴上，温度传感器(12)设置在排气管上，温度传感器(12)控制风机(10)的出口阀(11)当出口温度升高(效率下降)时，阀(11)自动开大，旋转喷嘴(1)则提高转速运行，提高转速运行的目的是为了改变流体的分离特性，获得超湍流流态，用湍流效应产生的辐射热量。气化声颈管(3)叶栅(2)和旋转喷嘴(1)内形成的液化物，3-5分钟后恢复正常转速运行，整个过程效率呈递增现象，用这种超湍流流态带液调节结构，不仅调节方式简单，迅速可靠，而且不影响低温分离流程的热平衡，从而增加了收率。附图4所示的湍流膨胀机的热壁转捩点调节结构(7)的位置示意图，在压力气体进机温度较低时，原有的旋转式热分离器的声颈管(8)的冷壁会强烈地抑制分离、转捩，为此旋转式热分离器采取了一再增加声颈管(3)长度的措施，这就延长了层流区，增加了摩擦损失，也浪费了材料，又大幅度地增加了机身长度和机器重量，而湍流膨胀机在结构分离点处则采用了热壁转捩点调节结构(7)加热分离点处声颈管(3)的外壁，促使气流在该处分离转捩，目的是减小摩擦损失，从而提高机器的等熵膨胀效率，同时大幅度减少机器的长度和重量。从叶栅(2)至结构分离点的距离为LX＝ 1/2 tj、WA＝ 1/2 g/u2·WA;g为旋转喷嘴阀板(13)、(14)的长度;u2为旋转喷嘴(1)的轮缘的圆周速度;tj为声颈管(3)的急关闭(开启)时间;WA为最大膨胀比对应的激波前的气流速度。由叶栅(2)至结构分离点的距离Lx可得到最佳声颈管(3)的长度LL＝LX/0.119863;湍流膨胀机声颈管(3)的长度比现有旋转式热分离器的声颈管长度短60%，由此可见采用热壁转捩点调节结构，可以保障在结构分离点处分离转捩，从而大幅度的减少机器的体积和重量。从附图1可以看出湍流膨胀机的湍流效应相互利用结构(5)在机器整图上的位置，该结构是一个壳体，壳体空间内有一排声颈管(3)、共振主管(4)、热壁转捩点调节结构(7)、壳体外部用导热系数较小的绝热材料保温，该结构的目的是每根声颈管(3)内，由湍流效应产生的辐射热量可以互相利用，一方面可避免一根或几根声颈管(3)内产生带液工况，同时减小摩擦损失。壳体内还装有提高 效率的联合产能循环结构(8)。附图5所示的是联合产能循环结构(8)与管线(9)热壁转捩点调节结构(7)的位置，附图6是附图5的B向视图，需要加热的流程气体由管线(9)流经联合产能循环结构(8)与声颈管(3)的外壁产生的辐射热量换热，被加热后的流程气体进入热壁转捩点调节结构(7)加热该处声颈管(3)的外壁、加热温度由阀(16)调节。附图2所示的是旋转喷嘴(1)叶栅(2)，声颈管(3)的结构示意图、喷嘴的数量加工为2-4个，它是对称均布放置的具有一定倾斜角度的斜切收缩喷嘴。由2个喷嘴增加到4个，喷嘴数量是由湍流产生率试验得出的，目的是可以在声颈管(3)的直径不增大的情况下，采用增加声颈管(3)的数量的措施达到流量增加或翻番的目的，本措施的优点是减小冷势核，缩短层流区，从而减少摩擦损失，同时达到减少机身长度和机器重量的目的。附图7提供的湍流膨胀机全湍流流态结构是叶栅(2)来流雷诺数Reu2＝D2·u2/ν≥2×106，与此高雷诺数相匹配的攻角18°，由上述相关数据确定的旋转喷嘴(1)轮缘直径D2，轮缘圆周速度u2，可在下游获得全湍流流态，在大多数工况情况下，可获得较高的等熵膨胀效率。ν为运动粘度。附图7还可以看出叶栅(2)里的超声速扩压器(15)与旋转喷嘴(1)和声颈管(3)的位置示意图，叶栅(2)的内圆面与旋转喷嘴(1)的外圆面的配合间隙为H7/C7，附图7也是湍流膨胀机可以自动起动运行的结构示意图，湍流膨胀机的起动运行不需要外部能源，带压膨胀气体本身就是动力，为保证几何尺寸固定的超声扩压器(15)能起动，超声速扩压器(15)的喉部面积A2＊必须稍大于理论上的最小值，以考虑摩擦效应和偏离一维性附面层效应等因素的影响。旋转喷嘴(1)的喷嘴喉部面积为A1＊，扩压器(15)喉部面积与喷嘴(1)喉部面积之比A2＊/A1＊＝1.03～1.07旋转喷嘴(1)的喷嘴出口气流与超声速扩压器(15)的气流攻角18°，当进机压力达到0.2MPa左右，机器就起动运行。轴向力平衡型湍流膨胀机，采用一种含50%钴的磁性片的磁性轴承负载能力可达56N/cm2，它的刚度与控制频率有关，当频率为100Hz时，刚度为1200N/μm。这种轴承的连续工作时间可达10年。亦可采用气体轴承。本专利技术具体的实施过程如下旋转喷嘴(1)的喷嘴轴线与叶栅(2)的超声速扩压器(15)的轴线置于一个平面里，当旋转喷嘴(1)旋转时，由于喷嘴沿旋转方向的两臂加厚为前、后阀板(14)、(13)，气流流经旋转喷嘴(1)与叶栅(2)联接的声颈管(3)之间是一种急关闭(开启)的层流切变流动，当雷诺数足够大时声颈管(3)内发生湍流，压力气体的进机温度为To，从斜切收缩喷嘴出口的冷气流温本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由旋转喷嘴放置在叶栅里，叶栅由多个超声速扩压器构成，并带有多根声颈管组成的、可自动起动运行的湍流膨胀机，其特征是所述的旋转喷嘴是由２－４个对称均布放置的具有一定倾斜角度的喷嘴组成，所述的叶栅来流雷诺数及与此雷诺数匹配的攻角构成了全湍流流态结构，叶栅至声颈管结构分离点处设置了热壁转捩点调节结构，并利用声颈管内湍流效应产生的辐射热量，在声颈管、共振主管、和热壁转捩点调节结构的外壁上设置了湍流效应相互利用结构，湍流膨胀机带液调节结构采用超湍流流态调节结构，该结构由风机、温度传感器和风机的出口阀组成。

【技术特征摘要】
1.一种由旋转喷嘴放置在叶栅里，叶栅由多个超声速扩压器构成，并带有多根声颈管组成的、可自动起动运行的湍流膨胀机，其特征是所述的旋转喷嘴是由2-4个对称均布放置的具有一定倾斜角度的喷嘴组成，所述的叶栅来流雷诺数及与此雷诺数匹配的攻角构成了全湍流流态结构，叶栅至声颈管结构分离点处设置了热壁转捩点调节结构，并利用声颈管内湍流效应产生的辐射热量，在声颈管、共振主管、和热壁转捩点调节结构的外壁上设置了湍流效应相互利用结构，湍流膨胀机带液调节结构采用超湍流流态调节结构，该结构由风机、温度传感器和风机的出口阀组成。2.根据权利要求1所述的湍流膨胀机，其特征是超湍流流态调节结构的风机设置在旋转喷嘴的主轴上，温度传感器设于膨胀机的排气管上、由温度传感器控制风机的出口阀。3.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李树云，石燕，张恩庭，郭广录，布丛，高林，何兆华，朱国良，刘冀朋，刘冀朋，
申请(专利权)人：华北石油管理局勘察设计院，
类型：发明
国别省市：13[中国|河北]