專利名稱：超聲速旋流天然氣分離器的超聲速噴管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種超聲速噴管，它是超聲速旋流天然氣分離器的關鍵部件，屬于天然 氣集輸、加工與處理技術領域。
背景技術：
采用超聲速旋流分離技術研制的超聲速旋流天然氣分離器由拉伐爾噴管、超聲速整 流管、超聲速翼、擴壓管等構件組成。它結合了氣體動力學、熱力學和流體力學的理論， 集膨脹降溫、旋流式氣/液分離、再壓縮等工藝于一個密閉緊湊的裝置內完成。氣流經過 拉伐爾噴管絕熱膨脹至超聲速，形成低溫低壓。低溫使天然氣中的重烴和水份凝結成核， 并生長成小液滴，形成氣液混合氣流。氣流經超聲速翼形成旋流以離心分離的方式將氣 流中的水和重烴凝析液滴分離出來。超聲速旋流分離器具有密閉無泄漏、結構緊湊輕巧、 無需化學藥劑、簡單可靠(無移動部件)等優(yōu)點，與傳統(tǒng)的加熱防凍和利用防凍劑防凍 天然氣集輸工藝相比，天然氣集輸系統(tǒng)投資和運行費用減少10 25%。
超聲速噴管是超聲速旋流天然氣分離器的關鍵部件，當氣流通過噴管時絕熱膨脹至 超聲速，其溫度和壓力降低，形成低溫低壓，天然氣中的重烴和水蒸汽達到過飽和狀態(tài) 開始凝結，發(fā)生凝結成核現(xiàn)象，液滴生長，形成氣液混合物。國內外己有關于超聲速噴 管研究報道，但是這些噴管都不能很好地滿足超聲速旋流分離器高效膨脹降溫分離的要 求。殼牌石油公司1997年開始研發(fā)Twister處理裝置，將其應用于井口天然氣處理，在理 論研究和裝置設計上取得一些成果。殼牌石油公司對Twister裝置的噴管申請了專利 NOZZLE FOR SUPERSONIC GAS FLOW AND AN INERTIA SEPRATOR[P〗.US 6,513,345 Bl， Feb.4， 2003。該噴管可產生粒徑為0.1微米 2.5微米的液滴顆粒，但該噴 管沒有考慮流速均勻性、壓力損失等因素對超聲速旋流天然氣分離器的影響。超聲速噴 管中的超聲速氣流易形成自激振蕩現(xiàn)象，導致較大能量損失，降低噴管效率；超聲速氣 流流速均勻性和穩(wěn)定性較低，將不能很好地滿足超聲速旋流天然氣分離器對超聲速噴管 性能的要求。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述技術的缺點，提供了一種結構簡單，工作穩(wěn)定，易于加 工制造，且具有較好的流速均勻性，較小的能量損失，能夠形成較大液滴，更利于氣液 分離，從而提高超聲速旋流天然氣分離器的升壓比和分離效率的超聲速噴管。
為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是超聲速噴管由收縮管段、擴張管段和
整流管段組成。收縮管段型面曲線變化遵循高階多項式規(guī)律，收縮管段型面曲線兩端點 切線與軸線平行，實現(xiàn)與直管的光滑連接。收縮管段長度為0.5 5倍噴管入口段管徑， 收縮角為6。 45° ，收縮管段末端連接直管，以增加進入擴張管段內膨脹氣流的均勻性、 穩(wěn)定性。直管管段長度為O. 05 0. 2倍噴管喉部直徑。收縮管段型面曲線變化均勻、平緩， 天然氣氣流在收縮段中膨脹加速至聲速平直流。擴張管段型面曲線由多段曲線組成，其 前段為圓弧段和直壁段，圓弧段實現(xiàn)了喉部與直壁段的光滑連接，圓弧半徑為1 30倍的 喉部直徑，直壁段長度為0.5 5倍的喉部直徑，設置直壁段有利于超聲速天然氣氣流經 超聲速翼轉變成旋流，并以旋流形式膨脹加速；其后段(消波擴張段)曲線為消波曲線， 該管段把超聲速變成滿足馬赫數(shù)要求的均勻平直流，以保證實現(xiàn)出口氣流均勻；消波擴 張段與前后兩端直管相切以實現(xiàn)光滑連接，防止產生強烈激波，減少能量損失，有利于 氣流均勻、穩(wěn)定。消波擴張段的最大膨脹角為0.2 0.8倍的噴管出口馬赫數(shù)對應的普朗 特一邁耶角。整流管段長度為10 50倍的管徑，該管段能增加超聲速天然氣氣流的均勻 性，有利于液滴的碰撞、生長。
采用了上述超聲速噴管的分離器，將低速高壓天然氣氣流高效地轉化為低溫、高速 均勻軸流，壓力損失小，無明顯自激振蕩現(xiàn)象。該超聲速噴管通過收縮管段使高壓天然 氣氣流膨脹加速，轉變成聲速平直流，再通過擴張管段使天然氣氣流膨脹加速，最后通 過消波擴張段使氣流向均勻的平直流轉化，實現(xiàn)氣流的膨脹降溫。該超聲速噴管各段之 間光滑過渡，氣流變化均勻平緩，減少了對流場的擾動，降低了能量損失，提高了膨脹 效率，易形成較大粒徑的液滴，有利于實現(xiàn)氣液分離。
下面結合附圖和典型實施例(實例)對本發(fā)明做進一步說明。


圖l是依據(jù)本發(fā)明所提出的超聲速噴管的剖面圖； 圖2是依據(jù)本發(fā)明所提出的超聲速噴管的收縮管段剖面圖； 圖3是依據(jù)本發(fā)明所提出的超聲速噴管的擴張管段剖面圖；
具體實施例方式
附圖為按照本發(fā)明目的設計加工的一個典型超聲速噴管實例。該超聲速噴管為圓柱 形殼體。圖l是超聲速噴管的剖面圖，由收縮管段(1)、擴張管段(2)和整流管段(3) 構成。
圖2是超聲速噴管的收縮管段剖面圖，該實例收縮管段由收縮管(4)和直管(5)組 成。收縮管型面曲線為三次多項式，入口直徑100mm，出口直徑12.4圓，收縮管長186mra， 收縮角為15° ，收縮管入口端和出口端切線與軸向平行。收縮管末端直管長l.O mm，該 直管為超聲速噴管的喉部，天然氣氣流在此達到聲速，形成平直聲速流。
圖3是超聲速噴管的擴張管段剖面圖，由圓弧擴張段(6)、直壁擴張段(7)和消波 擴張段(8)構成。圓弧擴張段(6)型面曲線是半徑為36mm的一段圓弧，圓弧與噴管喉 部及直壁擴張段(7)相切，過渡光滑。直壁擴張段長18 mm。消波擴張管段型面曲線與 直壁擴張段(7)及整流管段(3)過渡光滑。消波擴張段的最大膨脹角為0.25倍的噴管 出口馬赫數(shù)對應的普朗特一邁耶角。整流管段(3)長150mm，天然氣氣流經擴張管段膨脹 加速后形成均勻超聲速氣流，氣流進入整流管段后進一步整流，形成均勻的超聲速平直 流。該整流管段能增加超聲速天然氣氣流的均勻性，并有利于液滴的碰撞、生長。
該超聲速噴管將低速高壓天然氣氣流高效地轉化為超聲速均勻軸流天然氣氣流，壓 力損失小，無明顯自激振蕩現(xiàn)象，實現(xiàn)了氣流的膨脹降溫，降低了能量損失，提高了膨 脹效率，能形成良好的液體顆粒，有利于實現(xiàn)氣液分離。
權利要求
1. 一種用于超聲速旋流天然氣分離器的超聲速噴管，由收縮管段(1)、擴張管段(2)、和整流段(3)構成。其特征是，收縮管段(1)型面曲線變化遵循高階多項式規(guī)律，長度為0.5～5倍噴管入口段管徑，收縮角為6°～45°；擴張管段(2)型面曲線由多段曲線組成，其前段為圓弧段和直壁段，后段曲線為消波曲線，擴張管段最大膨脹角為0.2～0.8倍的噴管出口馬赫數(shù)對應的普朗特—邁耶角。
2. 根據(jù)權利要求l所述的超聲速噴管，其特征是，收縮管段由收縮管(4)和直管 (5)組成，收縮管(4)型面曲線為三次多項式，端點切線與軸線平行，實現(xiàn)與直管(5)的光滑連接，直管(5)長度為0.05 0.2倍噴管喉部直徑。
3. 根據(jù)權利要求1所述的超聲速噴管，其特征是，擴張管段包含圓弧擴張管段(6)、 直壁擴張段(7)和消波擴張段(8)，各段光滑連接，圓弧擴張管段(6)型面曲線半徑 為1 30倍的喉部直徑，直壁擴張管段(7)長度為0.5 5倍的喉部直徑。
4. 根據(jù)權利要求l所述的超聲速噴管，其特征是，收縮段的直管(5)與擴張段的 圓弧擴張管(6)光滑連接。
5. 根據(jù)權利要求1所述的超聲速擴壓器，其特征是，整流段(3)為直管，長度為 10 50倍的管徑，整流段(3)與消波擴張管段(8)光滑連接。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于超聲速旋流天然氣分離器的超聲速噴管，是該分離器的關鍵部件，由收縮管段、擴張管段和整流管段組成。收縮管段型面曲線為高階多項式，天然氣氣流在此膨脹加速，達到聲速，形成平直聲速流。擴張管段型面曲線由多段曲線組成，各段之間光滑連接，以減少對氣流的擾動。該超聲速噴管出入口處型面曲線變化平緩，曲率變化小，對上下游流體流動的影響微弱，出入口效應不明顯；擴張管段入口過渡平滑，對流體的擾動小；擴張管段型面曲線變化平緩，氣流膨脹速率小，流速均勻性好，利于液滴凝結核生長成較大的粒徑，便于分離。該超聲速噴管不僅使氣流均勻加速，改善流場的均勻性、穩(wěn)定性，降低湍流度，使出口氣流具有較好的氣流品質，而且能形成較大粒徑的液滴，提高超聲速旋流分離器的分離效率。
文檔編號F25J3/06GK101387469SQ20081015747
公開日2009年3月18日 申請日期2008年10月11日 優(yōu)先權日2008年10月11日
發(fā)明者曹學文, 杜永軍, 麗 陳 申請人:曹學文