专利名称:湍流膨胀机的制作方法
本发明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。
本发明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，本发明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。
本发明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度近似为0.833To进入超声速扩压器(15)内继续膨胀，当膨胀至压力与排气压强相等时，则产生伴随流动分离的强激波，进入声颈管(3)内的冷气流以一个较小的强迫幅值获得一个管内接受气体极大的响应幅值(增能)，当旋转到管子被打开时，进入管内的冷气流被管内热气体极高的响应幅值逐出管外时，产生很大膨胀降温，从前述图示说明描述的本发明结构是如何实施的，可清楚的示出本发明的加工远较现有的透平膨胀简单容易。
一种利用压力气体膨胀制冷的湍流膨胀机，现有旋转式热分离器的发展趋势是湍流膨胀机，华北油田据1982年技术方案，先后建造了与法国1980年旋转式热分离器结构相同的2-5万Nm3/d;;3-10万Nm3/d两台橇装共振型工业应用样机。现有的旋转式热分离器等熵膨胀效率60-83%;它的不足之处在于压力气体进机温度较低时，效率较低，法国纳特公司只保障实际运行效率不低于60%;带液调节影响低温分离流程的状态参数平衡，从而影响收率以及机身庞大。
自从著名的1968年斯坦福世界会议以后，大多数阐述湍流这个题目的书籍基本上都过时了，所以本发明用湍流基础理论研究及实验数据改进现有的旋转式热分离器，为此分别在两台实物机器上进行超湍流流态试验及变更设计相关数据的先期性试验，试验结果表明其机理结构工况为有限扰动带正阻尼器硬弹簧的强迫运动。线型减速流动，速度梯度u＝uo的预估分离点(LX/L)分离＝0.119863，分离点上游按照超速二维波上游禁讯构造流场，下游按湍流场声场耦合、共振构造流场，整个流场具有二元特征，为解决现有旋转式热分离器存在的前述不足，本发明提供了超湍流流态结构;全湍流流态结构;由湍流产生率得到的旋转喷嘴(1)的斜切收缩喷嘴数量为2-4个;由结构分离点确定声颈管(3)的长度;热壁转捩点调节结构及湍流效应相互利用结构等相互关连的湍流结构措施，依此可建造能力极强的设备。并提供了气动起动运行结构。本发明可提供达到预期转速运行(不带调速器)，也可提供调速运行结构。
本发明的主要技术指标及特点如下，气动转速1000-3000γ/min;实际运行效率70%以上;轴承寿命3-10年;大幅度减小现有热分器的体积与重量;它不需要外部能源作动力，带压膨胀气体本身就是动力，在易燃易暴场合使用，安全可靠;达到一经安装调试好既在最佳工况运行;能够在透平膨胀机很难工作的两相区域中工作，无易损零件，坚固耐用，长期使用具有定绝热效率;它具有迅速达到流程平衡条件的特点，能够迅速改变带液工况，收率高;不受进机温度限制，可在任何进口温度下起膨胀降温作用;适应介质组分、压力、流量，膨胀比的变化范围宽，用湍流膨胀机组配的流程简单易行，投资少，收效快，一般5-12个生产月即可收回流程投资费用，流程可以预制橇装化，从而缩短投资建设时间，并可搬迁，操作简单，制造容易，自成系统。
湍流膨胀机利用带压泄放气体的压力能膨胀制冷，从油田伴生气里回收轻油、液化气、甲烷、乙烷，从炼厂、石油化工厂尾气中回收有用组分，起到节省能源，增加产量，减少环境污染，增加经济效益与社会效益的作用。是实现油气同步开发的理想设备。从技术角度，从财政和经济角度评价湍流膨胀机，都具有很大的开发应用价值。
权利要求
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所述的湍流膨胀机，其特征是从叶栅至热壁转捩点调节结构的距离为Lx＝ 1/2 g/u2·WA
4.根据权利要求
1、3所述的湍流膨胀机，其特征是声颈管长度L＝Lx/0.119863。
5.根据权利要求
1所述的湍流膨胀机，其特征是湍流效应相互利用结构是一个壳体空间，壳体空间内设置有联合产能循环结构，壳体外用导热系较小的绝热材料保温。
6.根据权利要求
1所述的湍流膨胀机，其特征是全湍流流态结构旋转喷嘴的轮缘直径D2＝Reu2·ν/u2，雷诺数Reu2≥2×106，与此雷诺数相匹配的攻角18°。
7.根据权利要求
1.6所述的湍流膨胀机，其特征是湍流膨胀机的起动运行结构由叶栅内的超声速扩压器喉部面积A2＊与喷嘴喉部面积A1＊之比为A2＊/A1＊＝1.03～1.07，与此相匹配的攻角18°。
专利摘要
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。
文档编号F25B1/00GK87100549SQ87100549
公开日1988年8月24日 申请日期1987年2月11日
发明者李树云, 石燕, 张恩庭, 郭广录, 布丛, 高林, 何兆华, 朱国良, 刘冀朋 申请人:华北石油管理局勘察设计院导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan