本實(shí)用新型涉及石油、天然氣、化工及冶金等氣體分離裝置，尤其涉及一種雙喉道超聲速低溫螺旋流動(dòng)氣體分離裝置。

背景技術(shù)：

1)傳統(tǒng)天然氣處理工藝需分別脫水、脫烴，設(shè)備龐大，能耗高，運(yùn)行成本高，通常脫水需添加水合物抑制劑等化學(xué)添加劑，排放后對(duì)環(huán)境有污染，危害人類健康。

2)在專利申請(qǐng)?zhí)?00716101510.8，公開號(hào)CN101037629A中，未對(duì)超音速脫水裝置進(jìn)行說明，只畫了簡(jiǎn)單拉瓦爾噴管的示意圖，無氣體的旋流裝置，如何產(chǎn)生超音速旋流？無分離裝置，無正激波位置，如何穩(wěn)定激波等措施，達(dá)不到工業(yè)生產(chǎn)的目的。

3)在專利申請(qǐng)?zhí)?01520910766.7，授權(quán)公告號(hào)CN205133538u中，進(jìn)氣段中產(chǎn)生氣流周向旋流的葉片設(shè)計(jì)不對(duì)，按專利圖示的葉型，產(chǎn)生不了氣流在噴管中周向高速旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，在超音速段，喉道不確定，正激波位置也不確定。因此，該專利對(duì)使用者有導(dǎo)向性錯(cuò)誤。

上述幾種脫水方法都難以滿足陸地、海洋濕天然氣凈化。陸地和海洋天然氣開發(fā)迫切需要結(jié)構(gòu)小巧，緊湊，流動(dòng)穩(wěn)定，節(jié)能環(huán)保的高效脫水、脫烴裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的就在于為了解決上述問題而提供一種雙喉道超聲速低溫螺旋流動(dòng)氣體分離裝置。

本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的：

本實(shí)用新型包括進(jìn)口段、第一排渦輪型葉片、空段區(qū)、第二排渦輪型葉片、超音速噴管氣流加速區(qū)、收集區(qū)段、干凈氣體超音速減速區(qū)、第一排壓縮機(jī)型葉片、第二排壓縮機(jī)型葉片、亞音速氣流減速區(qū)、中心錐體和流道外殼，所述流道外殼的端部設(shè)置為所述進(jìn)口段，所述第一排渦輪型葉片安裝于所述進(jìn)口段內(nèi)，所述第二排渦輪型葉片安裝于所述第一排渦輪型葉片的后方，所述第一排渦輪型葉片與所述第二排渦輪型葉片之間為所述空段區(qū)，所述第二排渦輪型葉片的后方為所述超音速噴管氣流加速區(qū)所述收集區(qū)段設(shè)置于所述超音速噴管氣流加速區(qū)的一側(cè)，所述干凈氣體超音速減速區(qū)設(shè)置于所述收集區(qū)段的一側(cè)，所述第一排壓縮機(jī)型葉片位于所述干凈氣體超音速減速區(qū)的后方，所述第二排壓縮機(jī)型葉片設(shè)置于所述第一排壓縮機(jī)型葉片的后方，所述亞音速氣流減速區(qū)設(shè)置于所述第二排壓縮機(jī)型葉片的后方，所述流道外殼的管壁為中心錐體。

本實(shí)用新型的有益效果在于：

本實(shí)用新型是一種雙喉道超聲速低溫螺旋流動(dòng)氣體分離裝置，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型是航空流體動(dòng)力學(xué)原理應(yīng)用于天然氣分離的創(chuàng)新技術(shù)，是資源與環(huán)保高效開發(fā)的綜合利用，資源回收利用的先進(jìn)創(chuàng)新技術(shù)。與目前國(guó)內(nèi)原有技術(shù)和相關(guān)專利比較具有明顯的創(chuàng)新效果如下：

1結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，維護(hù)簡(jiǎn)單。平時(shí)無需日常維護(hù)，無人值守；

2無需外能消耗；

3天然氣內(nèi)能損耗低，運(yùn)行效率高，比現(xiàn)有脫水方式水露點(diǎn)低18℃以上，出口天然氣壓力降減少，在回收率相同的情況下，使用本專利與使用J-T閥相比，減少功耗50-70％，用本裝置替代膨脹機(jī)可減少壓縮功15-20％；

4不需向氣體內(nèi)添加化學(xué)添加劑，無有害液體或氣體排出，本裝置無噪聲、振動(dòng)等公害，環(huán)保性能好；

5本專利比J-T膨脹節(jié)流閥回收率高約30％，比膨脹機(jī)回收率高10％以上；

6本專利運(yùn)行時(shí)無需日常維護(hù)，可無人值守，運(yùn)行時(shí)無耗材，運(yùn)行成本低。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型的氣體在空段中流線上速度的變化示意圖；

圖3是本實(shí)用新型的渦輪型葉片結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-進(jìn)口段，2-第一排渦輪型葉片，3-空段區(qū)，4-第二排渦輪型葉片，5-超音速噴管氣流加速區(qū)，6-收集區(qū)段，7-干凈氣體超音速減速區(qū)，8-第一排壓縮機(jī)型葉片，9-第二排壓縮機(jī)型葉片，10-亞音速氣流減速區(qū)，11-中心錐體，12-流道外殼。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明：

如圖1所示：本實(shí)用新型包括進(jìn)口段1、第一排渦輪型葉片2、空段區(qū)3、第二排渦輪型葉片4、超音速噴管氣流加速區(qū)5、收集區(qū)段6、干凈氣體超音速減速區(qū)7、第一排壓縮機(jī)型葉片8、第二排壓縮機(jī)型葉片9、亞音速氣流減速區(qū)10、中心錐體11和流道外殼12，所述流道外殼的端部設(shè)置為所述進(jìn)口段，所述第一排渦輪型葉片安裝于所述進(jìn)口段內(nèi)，所述第二排渦輪型葉片安裝于所述第一排渦輪型葉片的后方，所述第一排渦輪型葉片與所述第二排渦輪型葉片之間為所述空段區(qū)，所述第二排渦輪型葉片的后方為所述超音速噴管氣流加速區(qū)所述收集區(qū)段設(shè)置于所述超音速噴管氣流加速區(qū)的一側(cè)，所述干凈氣體超音速減速區(qū)設(shè)置于所述收集區(qū)段的一側(cè)，所述第一排壓縮機(jī)型葉片位于所述干凈氣體超音速減速區(qū)的后方，所述第二排壓縮機(jī)型葉片設(shè)置于所述第一排壓縮機(jī)型葉片的后方，所述亞音速氣流減速區(qū)設(shè)置于所述第二排壓縮機(jī)型葉片的后方，所述流道外殼的管壁為中心錐體。

常溫的天然氣進(jìn)入本裝置進(jìn)口段1，流入的氣體速度很低，在進(jìn)口段中由于中心錐體半徑不斷增加，使流道的流通面積不斷下降，氣流速度也不斷增加，氣流靜溫開始下降。氣流流入渦輪型葉片2，由于中心錐半徑繼續(xù)增加，外壁流道逐漸收縮，流通面積進(jìn)一步下降。氣流在渦輪型葉片槽道中進(jìn)一步加速，同時(shí)氣流方向隨葉型槽道方向的改變而改變，使氣流由軸向方向轉(zhuǎn)變?yōu)樾毕蛄鲃?dòng)，氣流形成較大速度的螺旋狀流動(dòng)流入空段3中。由于空段3中的流道半徑沿流線不斷減小，流通面積繼續(xù)減小，使流速不斷增加，繞軸線旋轉(zhuǎn)速度vθ也增加。在同一根流線上，旋度為常量，即vθr＝C(C為常數(shù))，其中vθ為氣體流線上繞軸線旋轉(zhuǎn)的周向速度，r為流線半徑，當(dāng)r越小，vθ越大(見圖2)。根據(jù)流線上r半徑的變化，計(jì)算氣體流入渦輪型葉片4的氣流參數(shù)(要保證氣流在空段3中不分離)，氣流進(jìn)入渦輪型葉片槽道中，流道流通面積繼續(xù)減小，氣流繼續(xù)加速，在葉片出口流道中出現(xiàn)第一個(gè)喉道，該處出現(xiàn)馬赫數(shù)等于1.0，在喉道往后，流道面積增加，出現(xiàn)超音速旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。氣流進(jìn)入超音速段5，流道流通面積增加，氣流速度增加，溫度下降，通常氣流馬赫數(shù)增加到Ma＝1.6-1.7，氣流溫度急劇下降到零下70℃以下，使天然氣中的水汽和C3以上的輕烴急速變?yōu)槲⒈：鸵簯B(tài)烴，由于氣體處于高速旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力，使比重比天然氣大的微冰粒和液態(tài)烴在離心力的作用下運(yùn)動(dòng)到超音速段5的流道外壁，進(jìn)入冰和液烴收集箱6中，進(jìn)行分離水、液烴和天然氣。未進(jìn)入收集箱的干凈天然氣仍以超音速流入出口段7，該段流通面積略減小，使超音速氣流減速，但仍以超音速流入壓氣機(jī)型葉片8中，在壓氣機(jī)型葉片8流道中，流通面積逐漸減小，氣流在葉片槽道中不斷減速，氣流方向由周向逐漸向軸向轉(zhuǎn)變，在葉片槽道后半部出現(xiàn)一道正激波。該處出現(xiàn)本專利的第二個(gè)喉道，氣流經(jīng)過正激波變成亞音速，但氣流流動(dòng)方向仍未達(dá)到軸向。氣流流入壓氣機(jī)型葉片9中，由于進(jìn)口為亞音速，為了繼續(xù)降低氣流速度和氣流轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向流動(dòng)，該處的流通面積繼續(xù)增加，葉型槽道方向也逐漸轉(zhuǎn)到軸向，使氣流方向轉(zhuǎn)為軸向，速度也降到輸送管道的速度流入天然氣輸氣管道中。

在本專利中利用特有的超音速流道中的雙喉道設(shè)計(jì)技術(shù)，但又不同于雙喉道拉伐爾噴管。在天然氣輸送管道中出現(xiàn)壓力忽高忽低的變化時(shí)，確保超音速段5中工作穩(wěn)定，徹底解決以往專利中單喉道設(shè)計(jì)的超音速流動(dòng)不穩(wěn)定性及生產(chǎn)產(chǎn)量不穩(wěn)定或處理后的天然氣露點(diǎn)不合格的難題。

本專利第一排渦輪型葉片，氣流流過該葉片時(shí)，其速度在加速，并使氣流方向向周向流動(dòng)(見圖3)，這與專利申請(qǐng)?zhí)?01520910766.7，授權(quán)公告號(hào)CN205133538u中的3是有本質(zhì)的不一樣，該圖中3的葉型方向不對(duì)，進(jìn)口氣流為軸向，出口氣流也接近軸向，產(chǎn)生不了周向旋轉(zhuǎn)的分速，不可能產(chǎn)生周向旋轉(zhuǎn)速度，這誤導(dǎo)所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員。本專利渦輪型葉型設(shè)計(jì)是先選定進(jìn)口攻角，進(jìn)口氣流角，出口氣流角，葉型最大彎度點(diǎn)位置及葉型厚度分布。根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算出葉型落后角，確定葉型出口角度及由葉型進(jìn)口氣流角及攻角計(jì)算葉型進(jìn)口氣流角。由以上參數(shù)計(jì)算葉型中弧線，規(guī)定葉型前后緣半徑，及最大厚度點(diǎn)位置和厚度，在葉型中弧線垂線上分別加規(guī)定的葉型厚度，通常從前緣到最大厚度點(diǎn)厚度分布按弦長(zhǎng)的3次方程函數(shù)，最大厚度點(diǎn)到后緣厚度是弦長(zhǎng)的二次方程函數(shù)關(guān)系確定。在中弧線上加厚度后的各點(diǎn)連線成了葉型的葉背葉盆型線(見圖3)，葉片成形后進(jìn)行氣動(dòng)分析，是否滿足設(shè)計(jì)要求，氣流在槽道內(nèi)是否均勻加速，葉背處是否有分離，葉型損失是否滿足要求，不滿足則修改葉型設(shè)計(jì)參數(shù)，直至滿足設(shè)計(jì)要求為止。

本專利的技術(shù)方案中3為流道收斂的空段，使2中流出的氣流進(jìn)一步加速，氣流旋轉(zhuǎn)的速度增加后流入第二排渦輪型葉片，4中(其他專利中沒有)流道進(jìn)一步縮小，氣流加速，在葉型通道中氣流膨脹加速，氣流繞軸線的周向速度進(jìn)一步加速，在葉型出口處形成該裝置的第一個(gè)喉道，使當(dāng)?shù)氐鸟R赫數(shù)達(dá)到1.0。

氣流在葉片出口以后繼續(xù)加速進(jìn)入超音速段5，流道逐漸擴(kuò)大使氣流馬赫數(shù)達(dá)到1.6以上，氣體溫度急速下降到零下70℃以下，氣流繞軸線旋轉(zhuǎn)的周向速度達(dá)到400m/s以上，產(chǎn)生離心力。在離心力的作用下，使氣流中水，微冰粒和C3以上液烴和一小部分天然氣進(jìn)入收集區(qū)段6，其余干凈的天然氣進(jìn)入流道7中，繼續(xù)往出口方向運(yùn)動(dòng)，氣體流道略有下降，使氣流馬赫數(shù)下降，但氣流仍以超音速流入壓氣機(jī)型葉片8。

葉片8使氣流減速，氣流方向逐步的向軸向扭轉(zhuǎn)，但由于氣流馬赫數(shù)較大，扭轉(zhuǎn)角度不能太大，一般在200C以下，使葉型槽道中產(chǎn)生一道正激波，這就是所謂的第二個(gè)喉道，氣流速度從超音速變成亞音速流動(dòng)，這樣做的目的有二：第一是在超音速噴管中不出現(xiàn)正激波，第二是使激波在葉片排8葉型通道的后半部出現(xiàn)正激波，即使天然氣輸氣管道中壓力上升時(shí)，激波仍在葉型槽道中，只向前移動(dòng)一段距離，只要激波不被推出葉排8的進(jìn)口以前，激波在葉片8中，超聲速噴管中流動(dòng)是穩(wěn)定的。實(shí)際上天然氣輸氣管道壓力波動(dòng)遠(yuǎn)小于激波移動(dòng)到葉型槽道外所需的壓力波動(dòng)，所以該專利使超音速噴管中不會(huì)有正激波，不管輸氣管道壓力升高，超聲速噴管中氣流流動(dòng)是穩(wěn)定的，氣液分離也是穩(wěn)定高效的。在葉片排9，是將亞音速氣流進(jìn)一步減速，氣流方向進(jìn)一步扭轉(zhuǎn)直至軸向，然后輸入天然氣管道中。

關(guān)于壓氣機(jī)型葉片8和9的造型方法和設(shè)計(jì)大致和渦輪型葉片設(shè)計(jì)相類似，但葉型槽道內(nèi)流動(dòng)是減速的，所以葉型中弧線的彎度，厚度分布，落后角和攻角與渦輪型葉片在數(shù)值上有明顯的差別，它要滿足壓氣機(jī)型葉片流動(dòng)是逆壓流動(dòng)的特點(diǎn)，對(duì)超聲速葉型，它進(jìn)口流動(dòng)是超聲速的，需避免葉型進(jìn)口有強(qiáng)的脫體波，槽道內(nèi)不能出現(xiàn)很強(qiáng)的正激波。所以，在槽道內(nèi)氣流一定要逐漸減速，控制正激波前的馬赫數(shù)，盡量減小正激波損失，同時(shí)，當(dāng)輸氣管道中壓力波動(dòng)時(shí)，正激波不能推到葉型槽道進(jìn)口處，所以正激波的位置安排在葉型槽道的后半段。在設(shè)計(jì)壓氣機(jī)型葉片時(shí)必須做到葉型葉背處氣流不能產(chǎn)生分離，盡量減小氣流流動(dòng)損失，擴(kuò)大氣流在葉片槽道中流動(dòng)的穩(wěn)定范圍。

在設(shè)計(jì)中，渦輪型葉片和壓氣機(jī)型葉片設(shè)計(jì)分別有專用的設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)，流道設(shè)計(jì)是根據(jù)天然氣性質(zhì)，初步給定各葉片排進(jìn)出口參數(shù)，再設(shè)計(jì)出流道的內(nèi)外流道尺寸。根據(jù)給定的參數(shù)，用全三維粘性氣體的計(jì)算程序和天然氣物理性能參數(shù)計(jì)算出流道中的氣體流動(dòng)參數(shù)，是否滿足設(shè)計(jì)，如不滿足再修改設(shè)計(jì)流道和葉型，直到滿足為止。

以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理和主要特征及本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下，本實(shí)用新型還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)。本實(shí)用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。