技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种多相组分的离心分离装置，特别涉及一种动态预旋与轴向推进式水力旋流器，适合含固体颗粒的液固相或油水相的高效分离。
背景技术
[0002] 观目前国内外的水力
旋流分离器，总体说来分为两大类：静止式的和动态外驱动式的。绝大部分的旋流器都是纯静态部件的静止式结构，如此虽然操作简便、可靠性强、工作寿命长，但由于其分离机理全是凭借其入口介质的压力能转
化成高速旋流来实现的，因此压力损失很大，造成推动流动的压差不足而使旋流器单位容积的处理能力降低。并且由于边缘的轴向速度损失较大，容易产生逆向
涡流和扩散掺混，降低其分离效果。虽然对于压力损失大的问题，可以采用增加入口压力的方法解决，但除了耗能之外，使用通常的
离心泵增压，由于泵内的强烈
湍流，将使油水乳化、聚态团粒的
破碎作用大大增强，非常不利于其后再进到旋流器中分离。而使用
柱塞泵、
螺杆泵增压的成本很高。
[0003] 动态外驱动式的水力旋流器问世于上世纪80年代，至今已发展有Total型、预旋流型和复合型三种常见的形式。其基本结构都是具有一段外界驱动的旋转管段，Total型和复合型的还在管上固装旋转栅来驱动介质
加速旋转；欲分离的介质在旋转管内Total型和预旋流型、或在管外复合型沿着管的轴向流动，在旋转栅等驱流转动件的作用下，提高了介质的旋转速度。由于有轴功的输入，故介质的入口压力不必多量地转换成旋转
动能，其
离心力场就能得到增强，因而使压降减小，分离效率提高。并且增强的离心力场也能补充外周介质的压力损失，使排液顺畅，处理量增加。
[0004] 但上述的动态驱动式水力旋流器也还存在着一些不足：Total型和预旋流型的外转筒类似静态旋流器的
外壳，旋转边界延续到整个分离流道，转筒的机械误差易引起
不平衡振动，影响旋流分离的稳定，容易再次参混；预旋流型仅靠分离段外筒内壁的
摩擦力来使外周旋流强度提高，其作用有限，转动组件的功效较低；复合型虽是今后发展的方向，但其结构有些复杂，其旋转栅悬臂外伸很长，容易摆转振动。而振动会产生强力混合，减弱分离效果。
[0005] 再从机理上分析，无论是静止式还是动态外驱动式的水力旋流器，在其增旋收缩段区域，依据动量矩守恒，沿轴向随旋转半径的不断减小，周向旋转速度成反比增大，
角速度成平方增加，离心力场强则成3次方增大。随着离心力场的增大，中心流的压力会轴向沿程逐减，而边缘流的压力会沿程逐增，但这种压力梯度，恰与旋流器中的边缘重液向前排出，而轻液一般回流排出的流动方向所要求的推动力是相反的，会延缓已分离相的及时排出。
[0006] 在旋流器的渐缩增旋段，对重介质来讲，依据流量连续性原则、和轻液向中心区域的回流使外环流量的减少，都要求重介质的轴向速度增加。但由于旋流器内壁的摩擦和上述的逆向压力梯度，使靠近边界的分离重相，轴向加速会更慢，这不利于分离后的重相和沉降物的及时排出，而在进出口压差的作用下，有可能使外层以内的未完全分离相加速从重液出口排出，而使分离效果变差。
[0007] 不仅如此，上述未完全分离相的轴向速度增高、或者说最高轴向速度的内移，会导致分离段中内层区域各层间的轴向速度梯度增大，而靠近内层轻质相的层间轴向速度梯度若是大，就会加剧对已分离轻质液的挟带掺混，使旋流分离的效果进一步变差。
[0008] 旋流器的分离效果不如离心机，还有一个重要的原因：就是因为介质要自增旋，故需要分离段半径的收缩，但这会引起离心力场强度沿着轴向的变化太大，无法实现所谓的“中性层”进料而使进料流动对已分离相的干扰最低。旋流分离后的两相，需要逆向排出，而一般内层轻质相是回流排出的，轴向沿程的离心力场不断减弱，流动易向外周扩散；而另一方面，进料介质的压力大于轻质相的流出压力，且因当地的离心力不大，容易向内扩散到已分离轻质液流出口的周边，进到尚未流出的轻质相中，而形成“
短路”流出。
发明内容
[0009] 本实用新型的目的就是为了克服上述动态和静态水力旋流器的不足，提供一种结构简单、作用原理更加有效的动态预旋与轴向推进式水力旋流器。
[0010] 本实用新型无旋转外壳、
转子悬臂短不易振动，对进口压力要求低，单位体积处理量大，特别是能增加旋流器外周重组分的轴向排出速度，减少未完全分离相从重液出口的排出，减小分离层之间的轴向速度梯度，进料介质对已分离轻质组分逆向排出的渗透和扰动更小，是一种分离效率高的水力旋流器，能满足油田开采或其他场合下，对于油砂分离、油水分离的需求。
[0011] 本实用新型为实现上述目的所采取的技术解决方案为：一种动态预旋与轴向推进式水力旋流器，由介质预旋部分和水力旋流分离部分组成，预旋部分包括进料管1，转动管轴4，连接盘13，旋转栅14，上、下转动
轴承5、10，上、下轴承封盖6、9，皮带轮7，轴承
支架8，上、下转动密封2、12和上、下
密封座3、11；水力旋流分离部分包括旋流器耐磨衬里15，旋流器外壳16，防短路遮流罩17，轻质液导出口、导出管18、19，对中
支撑辐板20，轻质液导出罐21，轻质液出口管22和重液和固体颗粒出口管23，其特征在于：轴流进料的介质经由转动管轴4的末端敞口，不先自预旋就直接导入转动管轴4底端固装的旋转栅14中，进行外驱动动态预旋，在旋转栅14靠向旋流器腔一侧的外环圆周区域，设置了一圈可对旋流器外周介质产生轴向推进加速的结构，又在分离后逆向流动的轻质液导出口18的顶部和周向区，设置一个有一定轴向长度的防短路遮流罩17，罩盖住轻质液导出口18，并向旋流器的收缩增旋段方向做一定的轴向延伸遮挡，还在旋转栅14靠向旋流器腔一侧的端部、从旋转栅14中心到中径以上的区域，
覆盖一个阻挡物料介质从轴向流出的旋转栅下端面挡流板26。
[0012] 所述的旋转栅14，包括旋转栅上端面板24，旋转栅
叶片25和旋转栅下端面挡流板26，旋转栅叶片25安装在旋转栅上端面板24和旋转栅下端面挡流板26之内，由中心沿径向向外呈
辐射状或弯曲辐射状均布，数量为2～16片。
[0013] 所述的对介质轴向推进加速的结构，由2～16片轴向推进副叶片27组成，轴向推进副叶片27可以选用将旋转栅叶片25的外周下角的一小部分，在朝向外圆周和朝向旋流器内腔的方向，同时做径向和轴向加长延伸段，并使延伸段沿着转动方向，周向向后倾斜弯曲，或成逐渐倾斜弯曲的方式来制成。
[0014] 防短路遮流罩17为上端面封闭、下端口敞开的筒形结构，直径为轻质液导出管19直径的1.05～4倍，筒长为筒直径的0.5～15倍。
[0015] 旋转栅叶片25可以是直叶片，也可以是弯曲辐射状叶片，对于直叶片可按径向辐射安装，也可后掠一定角度安装；对于弯曲辐射状叶片，导流前缘略有后弯，边缘切线与旋转栅14径向的夹角α1在0～30°之间，介质流出的导流
后缘，与旋转栅14径向的夹角α2在20～80°之间。
[0016] 轴向推进副叶片27，其径向和轴向加长延伸段，相对于旋转栅14的轴向外伸长度在2～300mm之间，径向外伸尺寸在0～100mm之间，轴向推进副叶片27的宽度在2～100mm之间，厚度在0.5～15mm之间，其后弯倾斜角，即以底端缘斜面作切线与轴线或圆柱
母线之间的夹角β在5～80°之间。
[0017] 旋转栅14的直径在30～1500mm之间，轴向长度在10～600mm之间。旋转栅叶片25的厚度在0.5～15mm之间。
[0018] 本实用新型的特点：
[0019] 1.中
心轴流进料，进料轴外驱动旋转，轴底端固装旋转栅。如此一是可使旋流器的轴向尺寸缩短，二是使转动管轴的外伸段达到最短的程度，转子的刚性大大增强，可以减小振动和适应高转速。
[0020] 2.取消介质的自预旋室，介质经由转动管轴的末端敞口，不先自预旋就直接导入管轴底端固装的旋转栅中，进行外驱动动态预旋。由于无自预旋，进料的压力可以最大程度地保持，且在旋转栅叶片的作用下，不但使进料的环流速度增加，而且其压力也进一步增大用后掠型叶片压力提升更多。换句话说，这里的旋转栅同时起到
离心泵叶轮的升压作用，在不少情况下，可以省去旋流器进口的
增压泵。
[0021] 3.在旋转栅靠向旋流器腔的端部、旋转栅的外环圆周区域，设置了一圈对介质轴向推进加速的结构。如此可造成旋流器外周介质轴向流速的增高，以克服边界摩擦，和补充重组分甩边后，在锥管收缩区域，轴向增速所需要的动量。轴向加速推进结构能够对外周
密度大的组分和团粒提供更大的轴向动量，使重组分能更快地到达重液出口，减少未完全分离相从重液出口的排出，和降低靠近中心轻液区介质的层间轴向速度梯度，减少对轻质液的挟带掺混和轴向动量传递，使其更快地反向回流，从轴向另一侧轻液口排出。从而提高分离效率，并增大处理量。
[0022] 4.在分离后逆向流动的轻质液导出口的顶部和周向区，设置一个有一定轴向长度的防短路遮流罩，罩盖住轻质液导出口，并向旋流器的收缩增旋段方向做一定的轴向延伸遮挡。如此可以阻止进料混合介质向轻质液导出口的短路流出，和与逆流排出前的轻质组分发生紊流掺混和扩散，约束轻质组分的扩张流动，进一步提高分离效率。
[0023] 从中心轴向进料，是由末端连接旋转栅的空心转动管轴的首端对齐进料管来实现的，管轴的外部固装皮带轮或其他动力传动机构，传动机构两端设置转动轴承和旋转动密封。
[0024] 转动管轴从旋流器的入口一端伸进旋流器腔体中，再通过连接盘
定位固装旋转栅，与空心转动管轴同步旋转。进料介质被径向导入旋转栅中，在其中叶片的作用下旋转加速。在旋转栅靠向旋流器腔一侧的端部、从旋转栅中心到中径以上的区域，覆盖一个阻挡物料介质从轴向流出旋转栅的挡流盘。使进料介质不能过早地沿轴向流出，而只能在旋转栅的开放外周和外环区轴向流出，避免干扰旋流器中心区域轻液的逆流排出。
[0025] 旋转栅的结构和形式是本实用新型的核心内容，它是由2～16片由中心沿径向向外呈辐射状或弯曲辐射状均布、一定高度的叶片所组成，由强度和
刚度的需要，叶片定位固装于旋转栅的两片端面板其中一片为轴向挡流板之内。本实用新型旋转栅最显著的特点是：除了上述的沿径向辐射叶片之外，在其外圆周的环状区域，指向旋流器内腔的一端，还装有2～16片轴向推进的窄状副叶片，组成轴向推进加速的结构，当该副叶片随旋转栅一起转动时，就会对旋流器外周的介质施加轴向力，使外周介质产生一较大的轴向速度，从而实现本实用新型的思想和要求。
[0026] 本实用新型的有益效果是：
[0027] 1、结构简单，无旋转外壳、转子悬臂短不易振动。
[0028] 2、对进口的压力要求低，外驱动的效率高。因设在轴向进料入口处的旋转栅，兼有预旋和升压两种功能，进料压力可不需提升，或是能保持更高的出口压力。这不只意味着可在进口前省用升压泵，而是旋转栅比离心泵有更高的静压加动压的全压效率，和较低的破碎和乳化效应，有利于后续的分离。
[0029] 3、分离效率高，单位体积的处理量大。因在旋转栅外圆周的环状区域设置了轴向推进副叶片，故能使外周介质产生较大的轴向速度，改善因外
层压力沿程衰减而导致的重组分排流不畅、使处理量提高；外周重液的轴向速度大能取代和扼制未完全分离相的排出，并且边界最大的轴向速度分布，还能降低分离介质各层间的轴向速度梯度，从而减少挟带掺混，使分离效率提高。
[0030] 4、用防短路遮流罩阻止了进料混合介质对轻质组分的紊流掺混和扩散，约束轻质组分的扩张流动，因而提高了对轻质液的分离效率。
[0031] 5、分离机理创新和集成，结构紧凑，实现了外动力驱动升压、预旋分离和介质静压增旋分离于一体的新型高效水利旋流器。
[0032] 下面结合
附图和具体实施方式对本实用新型做进一步地说明。
附图说明
[0033] 附图1是本实用新型动态预旋与轴向推进式水力旋流器的结构图。
[0034] 附图2是本实用新型旋流器旋转栅和外周轴向推进副叶片的结构主视图。
[0035] 附图3是本实用新型旋流器旋转栅和外周轴向推进副叶片结构的A-A截剖面俯视图。
[0036] 附图4是本实用新型旋流器外周轴向推进副叶片的B-B截剖面旋转视图。
[0037] 图中：1.进料管，2.上转动密封，3.上密封座，4.转动管轴，5.上转动轴承，6.上轴承封盖，7.皮带轮，8.轴承支架，9.下轴承封盖，10.下转动轴承，11.下密封座，12.下转动密封，13.连接盘，14.旋转栅，15.旋流器耐磨衬里，16.旋流器外壳，17.防短路遮流罩，18.轻质液导出口，19.轻质液导出管，20.对中支撑辐板，21.轻质液导出罐，22.轻质液出口管，23.重液和固体颗粒出口管，24.旋转栅上端面板，25.旋转栅叶片，26.旋转栅下端面挡流板，27.轴向推进副叶片。
具体实施方式
[0038] 下面以一个典型的
实施例对本实用新型做详细说明，但不局限于本实施例。
[0039] 参见附图1，本实用新型动态预旋与轴向推进式水力旋流器分为两部分：介质预旋部分和水力旋流分离部分。预旋部分包括进料管1，转动管轴4，连接盘13，旋转栅14，上、下转动轴承5、10，上、下轴承封盖6、9，轴承支架8，皮带轮7，以及上、下转动密封2、12，上、下密封座3、11等部件；水力旋流分离部分包括旋流器耐磨衬里15，旋流器外壳16，防短路遮流罩17，轻质液导出口、导出管18、19，对中支撑辐板20，轻质液导出罐21，轻质液出口管22，以及重液和固体颗粒出口管23等。介质的预旋依靠外动力通过皮带轮7驱动转动管轴
4、再由管轴末端固装的连接盘13带动旋转栅14的转动来实现。
[0040] 参见附图3和附图4，外周均布的轴向推进副叶片27，为沿着旋转方向向后弯曲的结构，弯曲角度β，这样当其与旋转栅14一同旋转时，就会对旋流器外周介质产生足够的轴向推进力。
[0041] 本实用新型的工作方式描述如下：
[0042] 混合
流体介质通过进料管1进到转动管轴4，然后从其末端开口流到旋转栅14中的各旋转栅叶片25之间，在旋转栅叶片25的作用下，介质被旋转甩向外周，从旋转栅14和旋流器耐磨衬里15粗段内壁之间的环隙、以及旋转栅14前端面挡流板26以外的环区流出。靠向旋流器内腔边界区的介质，会受到轴向推进副叶片27的直接作用，加速向旋流器的收缩增旋段流动。
[0043] 在旋流器的收缩段，已经被旋转栅14预旋过的介质遵从动量矩守恒规则，旋转角速度获得很大增加，产生强大的离心力场，将重液和固体颗粒甩向边界，并朝向旋流器耐磨衬里15细端口与轻质液导出管19所围成的环隙出口流动，进入重液和固体颗粒出口管23后排出旋流器。
[0044] 而内层分离出的轻质液相，则沿着轻质液导出管19的外壁面反向流送到导出管端区的轻质液导出口18，从侧开口进入轻质液导出管19，再流到轻质液导出罐21，改变方向进到轻质液出口管22后排出旋流器。轻质液导出口18的端面和外周，被阻止进料混合介质对轻质组分的紊流掺混和扩散、约束轻质组分扩张流动的防短路遮流罩17所遮挡。
[0045] 防短路遮流罩17为上端面封闭、下端口敞开的筒形结构，筒直径为轻质液导出管19直径的1.05～4倍，筒长为筒直径的0.5～15倍。
[0046] 皮带轮7被上、下轴承封盖6、9轴向定位，通过键销连接带动转动管轴4和旋转栅14同步转动，转速在300～5000r/min之间，转动管轴4的直径在10～300mm之间。旋转栅14的直径在30～1500mm之间，轴向长度在10～600mm之间。
[0047] 参见附图2，旋转栅14，由旋转栅上端面板24、片旋转栅叶片25和旋转栅下端面挡流板26组成，旋转栅上端面板24与旋转栅下端面挡流板26，共同固装支撑2～16片辐射状或弯曲辐射状对称排布的旋转栅叶片25，旋转栅上端面板24与转动管轴4外伸端固装的连接盘13对中装配，实现传动。
[0048] 参见附图3，对于弯曲辐射形状对称排布的旋转栅叶片25，对径向介质的导流前缘略有后弯，边缘切线与旋转栅径向的夹角α1在0～30°之间，以符合入口速度三角形关系。而对介质流出的导流后缘，则采用强后弯形式，与旋转栅径向的夹角α2在20～80°之间。同离心泵的叶片一样，增大α2能使流出旋转栅的介质有更大幅度的增压。而如果介质的入流压力足够，可减小α2，以获得更大的预旋圆周速度。
[0049] 参见附图3和附图4，在本实施方式中，轴向推进副叶片27，采用最简单的一种加工方式，即没有再另加一个部件对轴向推进副叶片27进行支撑，而是将旋转栅14中的每一片旋转栅叶片25的外周下角的一小部分，在朝向外圆周和朝向旋流器内腔的方向上，都做了径向和轴向同时加长的延伸段，并使延伸段沿着转动方向，周向向后倾斜弯曲，或逐渐过渡倾斜弯曲，就生成了轴向推进副叶片27。如果旋转栅14的直径较大，或介质的密度大、杂质多，则应加工单独的轴向推进组件，以能牢固地安装轴向推进副叶片27，而不会发生震颤。
[0050] 本实施方式中，外伸出一定长度的、周向向后倾斜弯曲的轴向推进副叶片27，其向后弯曲的倾斜角，即以其底缘斜面作切线，与轴线或圆柱母线之间的夹角β在5～80°之间。轴向推进副叶片27相对于旋转栅14下端面的轴向外伸长度在2～300mm之间，而径向向外伸出的尺寸在0～100mm之间，轴向推进副叶片27的宽度在2～100mm之间，根部略宽些。旋转栅叶片25和轴向推进副叶片27的厚度在0.5～15mm之间。
