一种嵌套式涡旋管分离器 |
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| 申请号 | CN201910468233.7 | 申请日 | 2019-05-31 | 公开(公告)号 | CN110252529A | 公开(公告)日 | 2019-09-20 |
| 申请人 | 南京航空航天大学; | 发明人 | 王雷; 李博; 卢予恩; 汤宏宇; 袁培博; 谭慧俊; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种嵌套式涡旋管分离器，包含涡旋管和分离段两部分，涡旋管内设有旋流 叶片 ，且在旋流叶片通道前具有进 风 口；分离段分为前后设置的两级主流出风口和两级排砂出风口，且与进风口处于涡旋管分离器轴向的相对两端，形成轴流通道，以避免空气在流动过程中产生二次 涡流 ，砂尘经过旋流叶片后在离心 力 的作用下，飞向圆管壁面，并随着管壁附近的 流体 螺旋前进，最终经由第一级排砂出风口排出；但此时进入主流出风通道的携尘气流仍具有比较好的螺旋性，因此为了提高涡旋管的粒子分离效率，在第一级主流出风通道后设计了第二级主流出风口以及排砂出风口，砂尘分离效果具有明显提升。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种嵌套式涡旋管分离器，包含涡旋管以及分离段，所述涡旋管包括前后贯穿涡旋管的旋流叶片通道、位于旋流叶片通道前端的进风口、位于旋流叶片通道后端的出口；所述旋流叶片通道内设有旋流叶片；其特征在于：所述分离段包括位于涡旋管后方的第一分离管、位于第一分离管后方的第二分离管；所述涡旋管、第一分离管、第二分离管同轴延伸； |
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| 说明书全文 | 一种嵌套式涡旋管分离器技术领域[0001] 本发明涉及除尘技术领域，尤其是一种涡旋管分离器。 背景技术[0002] 旋风分离器是一种利用气粒两相流体旋转运动产生的惯性离心力对砂尘进行分离的装置，由于其具有设备紧凑、制造维护成本低、操作维修方便简单、灵活性好、投资少、无相对运动部件、占地面积小、适用面宽、分离效率高等优点,并且可以满足不同生产中的特殊要求，广泛应用于气体净化、固体砂尘地分离回收、环境保护、化工、采矿、冶金、机械、轻工、环保等各个领域。在工业运行包括粉尘处理等方面，旋风分离器己经成为了一种优先采用的分离装置。此外旋风分离器在能源、建材、电力及纺织等许多领域有着广泛的应用。 [0003] 而涡旋管分离器作为一种轴流式旋风分离器，其主要特点有：(1)压力损失小，气体处理量大。轴流旋风分离器消除了传统逆流反转旋风分离器中存在的内部旋涡流，因此大大减小了运行压力损失。由于直流旋风分离器压降较低，故其处理气量相对较大。(2)砂尘分离效率相对稍低。轴流旋风分离器的砂尘分离效率比逆流反转式旋风分离器稍低。(3)单元体积小，工艺布局更合理。由于涡旋管分离器不改变气流主运动方向，因此便于和管道连接安装,工艺布局更合理。涡旋管分离器由于其独特优点得到了越来越多的应用，尤其在高浓度砂尘场合。 [0004] 涡旋管分离器的工作原理可以简要概括为：当空气流入分离器后，在旋流叶片的导流作用下，涡旋管内部产生一个旋转流场，在旋转气流场中，密度较大的固体砂尘受到较大的惯性离心力的作用，因此，其螺旋运动轨迹半径较大而飞向圆筒壁面。当砂尘与圆筒壁面发生碰撞后，失去初始速度，随壁面附近气流一起做螺旋运动，流入集尘管道，而空气及少数未被捕获的砂尘则从中心位置的主流管流出，从而达到分离净化的效果。 [0005] 然而传统涡旋管分离器的旋流叶片中心体后缘是一个长方体，这样就会导致气流在经过旋流叶片通道之后在中心体后缘处产生旋涡，从而会造成损失；传统的涡旋管分离器只有一级出风口，导致进入主流出风口的砂尘不能有效排出，从而不利于砂尘分离效率，虽然增加分离区的长度可以改善这种情况，但由于很多涡旋管分离器的运用场景，对涡旋管分离器的长度有一定的限制，且为了排砂性能大幅延长分离区的长度，也违背了涡旋管分离器单元体积小的设计初衷，因此需要一种新的涡旋管分离器以解决上述问题。 发明内容[0006] 为解决上述问题，本发明提供嵌套式涡旋管分离器，能够提高砂尘分离效率。 [0007] 为达到上述目的，本发明具有嵌套式涡旋管分离器可采用如下技术方案： [0008] 一种嵌套式涡旋管分离器，包含涡旋管以及分离段，所述涡旋管包括前后贯穿涡旋管的旋流叶片通道、位于旋流叶片通道前端的进风口、位于旋流叶片通道后端的出口；所述旋流叶片通道内设有旋流叶片；所述分离段包括位于涡旋管后方的第一分离管、位于第一分离管后方的第二分离管；所述涡旋管、第一分离管、第二分离管同轴延伸；所述第一分离管内具有前后贯穿该第一分离管的第一出风管道，该第一分离管的前端为圆台形的第一前端部，且该第一前端部自涡旋管的后端插入涡旋管，第一前端部的外径小于涡旋管后端的内径，第一前端部的开口作为涡旋管的第一级主流出风口，第一前端部的外壁面与涡旋管后端的出口之间形成环状的第一级排砂出风口；所述第二分离管内具有前后贯穿该第二分离管的第二出风管道，该第二分离管的前端为圆台形的第二前端部，且该第二前端部自第一分离管的后端插入第一分离管，第二前端部的外径小于第一分离管后端的内径，第二前端部的开口作为第二级主流出风口，第二前端部的外壁面与第一分离管后端的出口之间形成环状的第二级排砂出风口。 [0009] 有益效果：相对于现有技术，本发明提供的涡旋管分离器设置了嵌套式的第一分离管、第二分离管；其中第一分离管与涡旋管对接处设有第一级主流出风口、第一级排砂出风口；第二分离管与第一分离管对接处设有第二级主流出风口、第二级排砂出风口，充分利用了气流进入第一级主流出风口后比较完整的螺旋性，从而通过第二级排砂出风口进一步排砂，提高涡旋管分离器的排砂性能。 [0010] 进一步的，所述进风口、第一级主流出风口、第一级排砂出风口、第二级主流出风口、第二级排砂出风口的圆心与所述涡旋管、分离段的轴线重合。 [0011] 进一步的，旋流叶片与所述涡旋段内壁形成旋流叶片通道，所述旋流叶片的轴线位置具有椭球形的中心体。后缘采取了椭球形的设计，避免了传统涡旋管分离器气流在中心体后缘产生的旋涡，减小了气动损失，提高了总压恢复系数。 [0012] 进一步的，所述第一前端部延伸入涡旋管中的外壁与涡旋管后端内壁之间形成第一级排砂通道，该第一级排砂通道围绕第一前端部且第一级排砂通道的出口即为第一级排砂出风口；所述第二前端部延伸入第一分离管中的外壁与第一分离管后端内壁之间形成第二级排砂通道，该第二级排砂通道围绕第二前端部且第二级排砂通道的出口即为第二级排砂出风口。 [0013] 进一步的，所述旋流叶片通道中，旋流叶片后端与第一级主流出风口之间为第一级气尘分离区。 [0014] 进一步的，第一分离管还具有自第一前端部后端延伸的第一后端部，该第一后端部为圆柱形；所述第一前端部的圆台形内管为自第一级主流出风口沿流向扩张的第一主流出风管道；第一后端部的圆柱形内管为第二级气尘分离区。 [0016] 图1是本发明一种嵌套式涡旋管分离器的三维轴测图。 [0017] 图2是本发明涡旋段内旋流叶片和中心体示意图 [0018] 图3是本发明两级出风口的局部放大图。 [0019] 图4是本发明侧视示意图。 [0020] 图5是对比模型的纵剖面流线分布。 [0021] 图6是本发明的纵剖面流线分布。 具体实施方式[0022] 请参阅图1至图4，发明公开一种具有两级出风口的嵌套式涡旋管分离器。 [0023] 请结合图1、图2、图3所示，嵌套式涡旋管分离器包含涡旋管16和分离段17，涡旋管16和分离段17通过砂尘收集装置进行相对固定，目前的常用的对涡旋管16和分离段17固定方案是排砂出风口外接蜗壳砂尘收集器，具体可参考2013年第5期《航空动力学报》中公开的《带扫气蜗壳的整体式惯性离子分离器仿真，作者童悦》中的蜗壳结构，在此不再赘述。涡旋管16包括前后贯穿涡旋管的旋流叶片通道161、位于旋流叶片通道161前端的进风口1、位于旋流叶片通道161后端的出口；所述旋流叶片通道内设有旋流叶片2，所述旋流叶片2是非旋转叶片，且与涡旋管16壁面之间没有间隙，可通过焊接固定于中心体12与涡旋管16壁面之间。分离段17包括位于涡旋管后方的第一分离管171、位于第一分离管171后方的第二分离管172；所述涡旋管16、第一分离管171、第二分离管172同轴延伸。 [0024] 所述第一分离管171内具有前后贯穿该第一分离管171的第一出风管道1711。第一分离管171的前端为圆台形的第一前端部1712，且该第一前端部1712自涡旋管16的后端插入涡旋管16。第一前端部1712的外径小于涡旋管16后端的内径。第一前端部1712的开口作为涡旋管16的第一级主流出风口3，第一前端部173的外壁面与涡旋管16后端的出口之间形成环状的第一级排砂出风口5。而由于第一前端部1712是自后插入至涡旋管16内的，则所述第一前端部1712延伸入涡旋管16中的外壁与涡旋管16后端内壁之间形成第一级排砂通道4，该第一级排砂通道4围绕第一前端部1712且第一级排砂通道4的出口即为第一级排砂出风口5。 [0025] 所述第二分离管172内具有前后贯穿该第二分离管172的第二出风管道1721。第二分离管172的前端为圆台形的第二前端部1722，且该第二前端部1722自第一分离管171的后端插入第一分离管171。第二前端部1722的外径小于第一分离管171后端的内径。第二前端部1722的开口作为第二级主流出风口7。第二前端部1722的外壁面与第一分离管171后端的出口之间形成环状的第二级排砂出风口9。而由于第二前端部1722是自后插入至第一分离管171内的，则所述第二前端部1722延伸入第一分离管171中的外壁与第一分离管171后端内壁之间形成第二级排砂通道8，该第二级排砂通道8围绕第二前端部1722且第二级排砂通道8的出口即为第二级排砂出风口9。 [0026] 通过上述的结构，分离段17同时具有两级气尘分离区。其中，旋流叶片通道161中，旋流叶片2后端与第一级主流出风口3之间为第一级气尘分离区14。第一分离管171的还具有自第一前端部1711后端延伸的第一后端部1713，该第一后端部1713为圆柱形。所述第一前端部1711的圆台形内管为自第一级主流出风口3沿流向扩张的第一主流出风管道6；第一后端部1713的圆柱形内管为第二级气尘分离区15。所述进风口1和所述两级出风口处于涡旋管分离器轴向的相对两端，形成轴流通道，以避免空气在流动过程中产生二次涡流。第一分离管171的还具有自第一前端部1712后端延伸的第一后端部1713，该第一后端部1713为圆柱形。所述第一前端部1712的圆台形内管为自第一级主流出风口沿流向扩张的第一主流出风管道6；第一后端部的圆柱形内管为第二级气尘分离区15。第二分离管172还具有自第二前端部1722后端延伸的第二后端部1723，该第二后端部1723为圆柱形，所述第二前端部1722的圆台形内管为自第二级主流出风口7沿流向扩张的第二主流出风管道10。 [0027] 请结合图1、图2、图4所示，所述涡旋管16内有四片旋流叶片2，不同于传统涡旋管分离器，本发明所述旋流叶片的前缘13为曲面，这样能起到很好的导流作用，减小了气流在进入旋流叶片通道时的气动损失；所述旋流叶片中心体12的前后缘均为椭球形的型面设计，与传统的涡旋管分离器相比，本发明的气流在通过旋流叶片通道之后，不会在旋流叶片中心体12的后缘位置处形成漩涡，避免了漩涡损失，提高了总压恢复系数，同样也有利于砂尘的分离。 [0028] 请结合图1、图3所示，所述第一级主流出风口3后具有一段沿流向扩张的第一主流出风管道6；第二级主流出风口7后具有一段沿流向扩张的第二主流出风管道10，使得气流在进入主流出风口之后有一个平缓过渡的过程。所述第一级排砂出风口5前具有第一级排砂通道4；第二级排砂出风口9前具有第二级排砂通道8，每一级主流出风口与相对应的排砂出风通道的入口位于同一轴线位置，砂尘经过旋流叶片通道后由于离心力作用移至涡旋管16的内壁，在第一级气尘分离区14中，砂尘由于气流的螺旋性继续向管壁移动，并随着气流在第一级排砂通道4向出口方向流动，最终通过第一级排砂出风口5排出。但依然有些许粒径较小的砂尘由于受惯性影响较大，在第一级气尘分离区14中并不能移至管壁附近，从而随主流进入第一级主流出风口3。由于进入第一级主流出风口3的气流依然没有丧失在第一级气尘分离区14中具有的比较完整的螺旋性，因此砂尘在第一主流出风管道6以及第二级气尘分离区15中，会继续受离心力的作用移至第一分离管171的内壁，从而经过第二级排砂出风通道8排出，提高了涡旋管分离器的排砂性能。 [0029] 设计实例分析： [0030] 在1205Kpa、682K的高温高压仿真工况下，设计仿真了两种方案，两种涡旋管分离器的基本尺寸及叶片扭转角均一致，区别在于：方案A为传统的涡旋管分离器，方案B为嵌套式涡旋管分离器即本发明。分别对比两种方案在高温高压条件下的气动性能以及对两种砂尘的分离效率，仿真结果如表1所示，结果表明相对于传统的涡旋管分离器，本发明所提出的设计意图得到了较好的体现。 [0031] 表1本发明嵌套式涡旋管分离器方案的气动及分砂性能(仿真结果) [0032] [0033] 其中，ac砂及c砂的粒径数据来源于国际标准化组织ISO 12103-1 [0034] 由对比结果可以看出，本发明相对于传统的涡旋管分离器，性能具有明显的提升：首先是气动方面，在来流条件及出口质量流量一致的情况下，本发明的出口总压恢复系数与传统涡旋管分离器一致，且结合图5、图6所示。其中图5为现有技术中采用的方案A的分离器仿真试验的纵剖面流线分布图；图6为采用本发明嵌套式涡旋管分离器仿真试验的纵剖面流线分布图，两方案的流线分布比较均匀，具有相似性。但不同的是，本发明的嵌套式涡旋管分离器，由于在第一级主流出风管道后设计了第二级主流出风口以及第二级排砂出风口，这就使得经过第一级主流出风口后的气流在第二级气尘分离区内进行了第二次分离，也有利于提高砂尘分离效率；其次是分砂性能，对比两方案对于AC砂和C砂的分砂性能，可以看出本发明对于两种粒径的砂尘均具有一个提升，尤其是对于粒径较小，分砂难度较大的AC砂，而对于粒径较大的C砂，由于方案A的分离效率已经很高，所以分离效率的提升没有特别明显。综合而言，本发明所提出的设计意图得到了较好的体现。 [0035] 本发明的示意图是以航空发动机空气系统为例进行说明，对于其他运用场景，本发明也同样适用。上述实施例只是用于对本发明的解释，而不能作为对本发明的限制。因此凡是与本发明设计思路相同的实施方式均在本发明的保护范围内。 [0036] 本发明具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。 |
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