旋转涡轮分离器中两相喷嘴研究

论文摘要

旋转涡轮分离器是国外新近发展的一种油气处理装置,由于其新颖的设计理念和独特实用功能,旋转涡轮分离器得到了广泛的关注,但其还处于开发和试验阶段,有一些关键问题还没有解决。两相喷嘴作为旋转涡轮分离器的核心构件,两相喷嘴的作用是把高压低速的两相流体转化为具有高动能低压力的流体,两相喷嘴性能的高低直接决定了旋转涡轮分离器的性能和功能的实现。本文从理论和试验两方面详细、系统地对两相喷嘴的流动参数分析、设计和试验进行研究。本文主要研究内容如下:首先,根据气液两相流动理论和气体喷嘴流动理论建立了两相喷嘴流动模型-两相喷嘴耦合模型。此模型考虑了气液间的曳力作用（动量传递）、热传递效应和液滴破裂影响。利用此模型对影响两相喷嘴流动的流动参数与性能进行了分析。分析了曳力系数,热传递系数和韦伯数对喷嘴流动特性的影响.根据本文利用两相耦合模型和其它模型方法设计了四种不同的喷嘴,并对其进行了非设计工况分析和试验研究。这些研究验证了两相喷嘴耦合模型应用于两相喷嘴设计的可行性和可靠性。最后对应用两相喷嘴的旋转涡轮分离器样机进行了试验研究,进一步验证了此两相喷嘴设计的可行性和适用性。由两相耦合模型设计的喷嘴的性能要优于其它三种方法。利用皮托管测量出口射流的总压,计算出口的两相马赫数,计算得到了出口的气体速度。通过理论计算的气体速度与之进行对比,在大液量时利用皮托管测得的气体速度与理论计算值差异较小。验证了用皮托管测试两相超音速喷嘴出口气体速度的可行性和可靠性。应用于旋转涡轮分离器中的两相喷嘴的性能要求是转化尽可能多的动能,所以效率成为衡量两相喷嘴性能的主要参数之一。两相喷嘴效率随着液体质量流量的增大先减小后增大。由于液体与气体之间曳力作用,气液间的动量传递的损失降低了两相动能的转化能力,所以喷嘴的效率先减小;但是液滴在两相喷嘴流动中,作为一种热源,补偿了一部分由于气体的等熵膨胀而引起的温度降低,随着液量的进一步增大,液滴的热源作用增强,增强了气体的膨胀能力,所以喷嘴效率又增大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 旋转涡轮分离器的研究现状
• 1.3 收缩-扩张型喷嘴的研究现状
• 1.4 课题研究的目的和意义
• 1.5 本文主要的研究内容
• 第2章 两相喷嘴理论及其参数分析
• 2.1 两相喷嘴耦合模型的建立
• 2.2 计算算法及程序的编制
• 2.3 两相喷嘴参数分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 喷嘴设计及非设计工况分析
• 3.1 喷嘴设计
• 3.2 喷嘴设计程序的编制
• 3.3 实际工况下喷嘴的设计方案
• 3.4 喷嘴非设计工况分析
• 3.5 两相喷嘴的非设计工况性能分析结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 试验系统介绍
• 4.1 喷嘴试验装置
• 4.2 旋转涡轮分离器试验系统介绍
• 4.3 本章小结
• 第5章 两相喷嘴试验及结果分析
• 5.1 喷嘴内压力特性试验研究
• 5.2 喷嘴壁面温度特性试验研究
• 5.3 喷嘴出口速度研究
• 5.4 喷嘴效率分析
• 5.5 两相喷嘴流动脉冲震动现象
• 5.6 试验与非设计工况分析结果比较分析
• 5.7 本章小结
• 第6章 旋转涡轮分离器性能试验结果及分析
• 6.1 试验工况
• 6.2 试验结果及分析
• 6.3 结论及建议
• 结论
• 主要符号表
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间的研究成果