專利名稱：超音熱分離機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
屬于利用氣體壓力膨脹制冷設(shè)備背景技術(shù) 國內(nèi)公告號CN2052509U“氣波制冷機”撰寫的效率數(shù)據(jù)比現(xiàn)有技術(shù)“法國NAT公司研制的旋轉(zhuǎn)式熱分離機的最新一代產(chǎn)品提高10～30％，公告號CN2082380U“脈沖制冷機”指出“氣波制冷機，采用斜噴嘴效率低，采用電機拖動皮帶輪調(diào)速可靠，效率高?！睔獠ㄖ评浞ǖ暮诵募夹g(shù)是兩個專利，將美國專利號3828574脈沖管末端用來增大反射激波壓強P3，吸聲頻帶窄的單個共振器改作“激波吸收腔”或“破波器”用來“吸收激波”或“防止激波反射”。法國納特公司1969年開始試驗熱分離機，1980年法國超音熱分離機公開、宣告了以法國1974年美國專利號3828574為代表的，依據(jù)亞音速技術(shù)方案結(jié)構(gòu)設(shè)計的電機拖動運行，空氣效率45％～50％的亞音熱分離機被淘汰。專利號3828574特征噴嘴、噴嘴前后閥板(一維非定型激波條件)，噴嘴傾斜，超音速進氣道設(shè)計成沒有吞咽激波效能的等截面管段亞音靜子，負流入角，導致嚴重失速，只能靠電機拖動運行，脈沖管未端吸聲頻帶窄的單個共振器。美國專利號3828574發(fā)明涉及噴嘴流脈沖氣流裝置，根據(jù)美國斯坦福大學S·J克蘭《湍流附面層的計算和結(jié)構(gòu)—技術(shù)發(fā)展水平》在0.8≤M≤1.2范圍內(nèi)，變成嚴重堵塞，即激波產(chǎn)生于轉(zhuǎn)子噴嘴內(nèi)，根據(jù)比利時馮·卡門流體動力學研究院《跨音狀態(tài)的葉柵流》激波產(chǎn)生于轉(zhuǎn)子里，這就增大了轉(zhuǎn)子與靜子之間的壓力和溫度，從而導致轉(zhuǎn)子進入失速工作狀態(tài)，對于飛機來說這種危險是極大的，實際上是沒有質(zhì)量流量范圍的。因此，噴嘴結(jié)構(gòu)應(yīng)是出口馬赫數(shù)M＞1.2的超音縮放噴嘴，根據(jù)馮·卡門作序的經(jīng)典教科書，國內(nèi)外普遍采用作為高年級大學生和研究生氣體動力學課程的兩本教科書，與超音轉(zhuǎn)子噴嘴相對的葉柵結(jié)構(gòu)應(yīng)是超音速進氣道，幾何尺寸固定的超音進氣道應(yīng)是縮放結(jié)構(gòu)的超音速噴管。因此，超音熱分離機是由超音速上游禁迅原理構(gòu)造流動和分析流動，上游禁迅即下游產(chǎn)生的撓動(壓力溫度密度變化)不影響上游流動狀態(tài)，亞音速不具有這一特性。噴嘴的兩壁沿旋轉(zhuǎn)方向加厚為前后閥板UA＝0，UB＝0因此脈沖管內(nèi)流動可按一維非定型激波計算。P1是脈沖管出口壓力，P1和排氣出口壓強相等，P3是脈沖管末端反射激波壓強，P1/P3是激波管的基本參數(shù)，P2/P3定義膨脹波強度。一維非定性激波的一個極端是大壓強差，最大膨脹T＝-273℃；一個極端是微小壓強差，聲學激波管，噴嘴出口氣流速度與音速之比u/c即馬赫數(shù)Mx＝1.0激波后My＝1.0，Py/Px≌1.0，Ty/Tx≌1.0聲波等熵流動。熱分離機是怎樣制冷的，有必要在具體實施中說明。根據(jù)87101903.5湍流膨脹機發(fā)明專利研制的2Mpa、4Mpa撬裝超音熱分離機，經(jīng)歷了十多年石油氣生產(chǎn)考核，積累了正反兩方面經(jīng)驗。本機型的優(yōu)勢在于，可在其它機種很難工作的兩相區(qū)域運行，達到工作狀態(tài)非?？?，不怕石油氣水化物，這是其它機種做不到的，因此具有開發(fā)價值。本發(fā)明的任務(wù)是解決小膨脹比工況自動起動運行；提高機組效率；本機唯一的易損件是軸承，實現(xiàn)10Mpa壓力大型機組軸承使用壽命連續(xù)運行3年以上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了既可在大膨脹比工況條件下自動起動運行，也可在小膨脹比工況條件下自動起動運行的超音進口相對流動的自動起動運行結(jié)構(gòu)；采用擴壓效率100％的超音速擴壓器(8)，在脈沖管(5)末端聯(lián)通組合共振器(6)，共振腔內(nèi)設(shè)置金屬微穿孔板，將大部分聲能轉(zhuǎn)換為壓力能，增加脈沖管末端反射激波壓強，提高機器效率；本機無易損零件，采用軸向力平衡結(jié)構(gòu)，可使10Mpa超音熱分離機組連續(xù)運行3年以上。


圖1是超音熱分離機結(jié)構(gòu)原理示意圖，也是脈沖管(5)末端聯(lián)結(jié)連通組合共振器(6)示意圖。圖2是超音進口相對流動的自動起動運行結(jié)構(gòu)示意圖，也是擴壓效率100％的超音速擴壓器結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是軸向力平衡結(jié)構(gòu)示意圖。從圖1和圖2可以看出超音靜子葉柵(3)是由多個超音速擴壓器(超音噴管)(8)組成，超音速擴壓器(8)選擇了擴壓效率100％縮放噴管。噴管的壁面總轉(zhuǎn)折角2.7°/2＝1.35°，因為0.8≤M≤1.2嚴重堵塞(激波)，所以旋轉(zhuǎn)噴嘴(2)的噴嘴出口設(shè)計成M＞1.2的縮放超音噴嘴，與M＞1.2的超音速氣流，相對的應(yīng)是超音速進氣道，幾何尺寸固定的超音速進氣道首先想到的是縮放結(jié)構(gòu)，因此選用超音縮放噴管(8)如圖2所示，基本超音噴管的圓錐角υT＝16°，初始膨脹值(即壁面總折轉(zhuǎn)角)為θmax＝1/2υT，因為初始膨脹區(qū)是由徑向流開始的，則計算可從初始膨脹區(qū)的下游開始，往往可避免喉部問題，則θmax＝1/4υT，這樣得到的噴管比基本的噴管長，這對小型機組非常適用，因此噴嘴噴管的圓錐角為8°，擴壓效率100％圓錐角2.7°，因此選用圓錐角2.7°～8°，壁面總折轉(zhuǎn)角1.35°～4°噴嘴傾斜放置，產(chǎn)生噴氣推力和轉(zhuǎn)矩，葉柵(3)內(nèi)圓面D2與噴嘴外圓面d2配合間隙H8/c8，為保障幾何尺寸固定的超音進口相對流動的自動起動運行，根據(jù)馮·卡門研究院得到的經(jīng)驗，私營公司擁有相當數(shù)量的可以利用的重要資料，但是公開了的資料卻很少，然而可以提供某些入門的途徑。所有導致減小進口馬赫數(shù)的因素都是有利的因素。起動過程還不完全清楚，最初在超音縮放噴嘴出口和超音縮放噴管前緣(實驗段)建立起的流動必定是亞音速的，其后才變?yōu)槌羲倭?，在實驗段必有一道激波。噴嘴喉部面積為A1*，超音噴管(擴壓器)A2*。最小起動面積A2*/A1*＝P01/P02＝λs，通常不用上述比值，而用實驗段截面積，與擴壓器喉部面積之比，即噴嘴出口面積A1/A2*更為方便，比值稱作擴壓器收縮比，起動時最大容許收縮比ψmax＝A1/A2*＝A1/A1*·1/λ＝f(M1)，由A1/A1*給出面積——馬赫數(shù)M1關(guān)系式?？捎蓤D得出噴嘴出口馬赫數(shù)M1的函數(shù)的最大起動收縮比和壓比λs計算出面積。當?shù)诙聿棵娣eA2*等于或大于該最小面積時，激波能從實驗段跳到擴壓器喉部A2*下游一側(cè)。這很形象地被叫做激波“吞咽”。超音起動過程為專業(yè)技術(shù)人員和大學生所熟悉。噴嘴出口馬赫數(shù)M1大于堵塞馬赫數(shù)M＝0.8～1.2，由于所有導致減小進口馬赫數(shù)的因素都是有利因素，因此M1稍大于1.2，所以縮放噴嘴出口初始膨脹值(即壁面總轉(zhuǎn)折角)選擇小角度1.35°～4°，從而減小噴嘴出口面積A1出口馬赫數(shù)M1、壓比λ、最大起動收縮比ψ，使第二喉部面積大于等于該最小面積時，實現(xiàn)激波吞咽效能，使機器既能在大膨脹比工況自動起動運行，也能在小膨脹比工況自動起動運行，實現(xiàn)超音進口相對流動的自動起動運行。與旋轉(zhuǎn)噴嘴(2)出口氣流相對速度W2相匹配的超音噴管(8)正流入角(攻角)18°。旋轉(zhuǎn)噴嘴(2)是由1個或2個具有一定傾斜角度放置的縮放噴嘴構(gòu)成，采用1個噴嘴的目的是適應(yīng)小氣量應(yīng)用較好。噴嘴沿旋轉(zhuǎn)方向加厚為前后閥板(9)(10)，管內(nèi)流動可按一維非定型激波計算。圖1示出了脈沖管(5)的末端聯(lián)結(jié)連通組合共振器(6)，其數(shù)量是1個或2個兩端封閉的內(nèi)徑為φ100mm、φ150mm、φ200mm或φ250mm鋼管，穿孔率P＝1～1.5％，吸聲系數(shù)50％～90％，內(nèi)裝馬大猶單層金屬微穿孔板P＝1％或雙層金屬微穿孔板P＝2.5～3％，+1％共同組成一個共振系統(tǒng)，分別吸收高低頻噪聲，吸聲系數(shù)63～99％，頻率100～1000赫，根據(jù)壓力和處理氣量設(shè)計1個或2個組合共振器(6)。將聲能轉(zhuǎn)換為脈沖管末端高滯止焓，反射激波壓強P3。圖3是軸向力平衡結(jié)構(gòu)示意圖，軸向力平衡結(jié)構(gòu)是由高壓平衡室(11)低壓平衡室(13)以及排氣口(4)連通的平衡孔(14)構(gòu)成，高壓平衡室(11)是由超音噴嘴(2)的進口直管段內(nèi)孔，軸向兩端封閉，進氣口(1)由徑向進口與噴嘴(2)的進口連通，外壁由裝配于殼體(16)里的迷宮氣封(12)迷宮氣封(15)與排氣口(4)、低壓平衡室(13)之間的動密封點隔開，低壓平衡室(13)是由迷宮氣封(12)與高壓平衡室(11)隔開，由平衡孔(14)與排氣口(4)連通。迷宮氣封(12)(15)可認為是軸的支點，選材應(yīng)適用。
具體實施例方式
如圖1所示，開啟排氣口(4)進氣口(1)，機進口壓力P0，機出口壓力P1當機進出口膨脹比P0/P1對應(yīng)的馬赫數(shù)M1＞1.2時，傾斜一定角度放置的超音噴嘴產(chǎn)生的噴氣推力和轉(zhuǎn)矩，使超音轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)噴嘴(2)即以設(shè)計的低頻氣動轉(zhuǎn)速2000～3000r/min，在超音靜子葉柵(3)的內(nèi)圓面自動起動運行，帶有前后閥板(9)(10)的旋轉(zhuǎn)噴嘴出氣口，對準圓周均布傾斜18°正流入角(攻角)超音噴管(8)和脈沖管(5)接通和斷開的瞬間，進行周期性噴射超音氣流，從而在脈沖管內(nèi)產(chǎn)生壓力速度突躍變化的脈沖氣流。如圖1和圖2所示，管I處在旋轉(zhuǎn)噴嘴(2)的正面，管I進氣前被噴嘴的前閥板(9)關(guān)閉，如管0所示，管I內(nèi)的氣體處于靜態(tài)UA＝0；進氣后的管I被噴嘴后閥板(10)關(guān)閉，管內(nèi)的氣體處于靜態(tài)UB＝0；如管II所示，于是管內(nèi)流動可按一維非定型激波計算。如圖1所示，處在噴嘴(2)正面的管I，正對噴嘴出口M＞1.2的超音速氣流以正流入角18°，來流雷諾數(shù)Reu2≥2·106在超音縮放噴管(8)的前緣收縮段減速至音速，等熵壓縮通過音障，從而實現(xiàn)超音進口相對流動的自動起動運行。在喉部以后的截面積擴張部位減壓膨脹到排氣壓強P1，氣流被加速至超音速，P0機進口壓強(絕壓)減壓膨脹至排氣壓強P1，涌進管I的氣體膨脹變冷的同時，壓強降落在超音噴管(8)內(nèi)獲得氣體動能馬赫數(shù)MA，在脈沖管頭部轉(zhuǎn)換成初始壓強比P2/P1＝2的激波壓強(突躍壓縮波)，壓縮管內(nèi)靜止氣體，當進氣后的管I被后閥板(10)關(guān)閉，UB＝0管內(nèi)的氣體處于靜態(tài)，管內(nèi)氣體速度滯止至零，管內(nèi)氣體動能在脈沖管(5)末端轉(zhuǎn)換成反射激波壓強P3如管II所示，一維非定型激波理論結(jié)果的實驗檢測結(jié)果，由壓電晶體檢波器測出，激波壓強P2/P1＝1.6為設(shè)計值80％，P3/P1＝2.6與三維理論結(jié)果相等，因此在脈沖管(5)末端聯(lián)通組合共振器(6)增加反射激波壓強P3。有激波就有熵增，一根細長的脈沖管(5)，被溫度接觸面分成兩部分，一側(cè)是脈沖管末端高壓高溫的靜止氣體(循環(huán)氣)，另一側(cè)是涌入脈沖管內(nèi)的低壓低溫氣體(動力氣)，溫度接觸面就象1個膜片將脈沖管(5)頭部的低壓(膨脹)室和脈沖管(5)末端高壓(壓縮)室隔開，膜片壓比是激波管的基本參數(shù)，當進氣后的管I被打開排氣，如管III所示，在突然膜破的初始時刻，壓力分布是一個階躍，這個階躍分裂成一個激波P2/P1和1個膨脹波P2/P3，激波向脈沖管(5)敞口端低壓(膨脹)室傳播，膨脹波P2/P3向脈沖管末端高壓(壓縮)室傳播，兩區(qū)的交界面為溫度接觸面，把分別受到激波和膨脹波加速的相鄰兩股氣柱分開，它標志著兩邊氣體的一條邊界，如果忽略擴散作用、可以認為管內(nèi)氣體(循環(huán)氣)和噴射涌入的冷氣體(動力氣)互不混摻，接觸面很像一個向低壓(膨脹)室運動的活塞面，在接觸面兩側(cè)，氣體的溫度與密度不等，但兩側(cè)的壓力和速度相等，當激波壓強P2/P1到達脈沖管敞口端的那一瞬間，必有一束等熵膨脹共心波向管內(nèi)反射，以P2/P3定義膨脹波強度，它位于活塞面上，以u2速度向脈沖管(5)敞口端移動，因此，位于活塞面上的等熵膨脹共心波和脈沖管(5)敞口端等熵膨脹共心波都位于低壓(膨脹)室，反射激波P3前后的壓強增量一瞬間就被膨脹波前后的相應(yīng)壓強降落所對消掉P3＝P1，涌進脈沖管內(nèi)的氣體被等熵膨脹波掃過排出管外時產(chǎn)生溫降焓降，對于大多數(shù)工程計算來說，在低壓比時，理論和實驗結(jié)果的符合程度是合用的，法國在此設(shè)計值，較大截面尺寸低壓機組空氣效率達83％，能否有新的突破這要靠實驗驗證，以及加工精度。當開啟機器的進排氣閥(1)(4)機器即自動起動以2000～3000r/min設(shè)計低頻氣動轉(zhuǎn)數(shù)運行，經(jīng)過周而復始的循環(huán)，當開機2～3分鐘之后，脈沖管頭部變冷結(jié)冰，距離十幾厘米處管壁溫度300～500℃，從一個循環(huán)到另一個循環(huán)，管內(nèi)氣體被加熱，一直到它循環(huán)所接受的熱量與通過管壁排放的熱量平衡為止，排放熱量是輻射，自然或強制對流或者其它換熱流體引起的，由于管內(nèi)循環(huán)氣體無法把它原來壓縮時吸收的能量還給動力氣體，因為都變成熱量散發(fā)掉了，所以涌進管內(nèi)的氣體變冷排出。激波管提供的了一種使流體狀態(tài)快速發(fā)生變化的簡單手段，它是一種瞬態(tài)動力效應(yīng)，持續(xù)時間受高低壓室長度的限制，通常在毫秒的量級。圖3示出了軸相力平衡結(jié)構(gòu)，由機進氣口(1)來流的高壓氣體P0流經(jīng)高壓平衡室(11)由于軸向左右面積相等，因此由進機壓力P0產(chǎn)生的軸向力≌零，迷宮氣封(12)(15)是進機壓力P0與排氣壓力P1之間，按臨界狀態(tài)設(shè)計的動密封點，排氣壓力產(chǎn)生的軸向力由低壓平衡室(13)平衡，低壓平衡室(13)壓力由平衡孔(14)連通排氣口(4)，等于排氣壓力。從而使軸承所受的軸向力不受進排氣壓力影響，大型機組或高壓機組軸向力相當大，因此本發(fā)明提供的軸向力平衡結(jié)構(gòu)可使10Mpa高壓超音熱分離機連續(xù)運行3年以上，管理部門要求透平膨脹機連續(xù)運行1年。國外超音熱分離機多用于-160℃天然氣液化，本發(fā)明通流部件全部采用-196℃不銹鋼材質(zhì)建造，由圖3可看出本新型軸承遠離進口或出口氣體，受進出口氣體溫度影響小，適用于多種潤滑油路設(shè)計可控制軸承溫度，因此可用于更低溫度，可在其它機種很難工作的兩相區(qū)域運行，使得天然氣液化工藝簡單；超音熱分離機提供了使流體狀態(tài)發(fā)生快速變化的簡單手段，進入工作狀態(tài)非?？焓瞧渌鼨C種做不到的；適應(yīng)組分、壓力、溫度，流量和膨脹比變化幅度非常大。效率能否有新的突破，任何層流切變流動，在雷諾數(shù)足夠大時，層流流動就變成不穩(wěn)定的，轉(zhuǎn)捩為全湍流流動，臨界雷諾數(shù)對噴嘴流而言其數(shù)量級為105，最引人注目的是湍流場與聲場耦合，由湍流傳遞給聲波的能量相當可觀，因而湍流能量不斷發(fā)散出去，這種效應(yīng)非常類似高溫情況下熱的幅射損失?，F(xiàn)有的共振器從外觀上看吸聲頻帶100～300赫，吸聲系數(shù)50～90％內(nèi)部看不到，本機共振腔內(nèi)裝有金屬微穿孔板吸聲頻帶100～800赫吸聲系數(shù)大多數(shù)可達96～99％聲能轉(zhuǎn)換成熱量，熱量q加給脈沖管高壓區(qū)循環(huán)氣體，q+對系統(tǒng)作的功等于系統(tǒng)能量增加，因此提高脈沖管末端高焓值反射激波壓強P3用來提高效率，同時采用2.7°擴壓效率100％擴壓器，能否在效率上有新的突破還要靠加工精度，故最高效率仍定為83％。本發(fā)明可用來建造0.3～10Mpa撬裝機組，日處理氣量0.25～1000萬米3，最高空氣效率83％，膨脹比2～6，低頻氣動轉(zhuǎn)速2000～3000r/min，操作簡單，全自動無需電機作動力，全密閉安全可靠牢固耐用，可連續(xù)運行3年以上，適用于易燃易爆氣體相分離。輸氣管道以高壓10Mpa輸送天然氣，0.1Mpa供燃氣用戶使用，這樣大的減壓值，有相當大的能量可以回收，在燃氣站工藝創(chuàng)新，節(jié)能降耗建造冷庫、空調(diào)緩解用電高峰，降低燃氣成本。液化天然氣為汽車提供清潔能源，亦可用于沙漠海上無電地區(qū)，回收輕烴，凝析油，以及從石油化工廠尾氣中回收有用組分。
權(quán)利要求
1.超音熱分離機屬于利用氣體壓力膨脹制冷設(shè)備，它由超音轉(zhuǎn)子縮放噴嘴(2)放置在超音靜子葉柵(3)內(nèi)，超音噴嘴(2)的兩壁沿旋轉(zhuǎn)方向加厚為前后閥板(9)(10)，葉柵(3)是由多個超音速擴壓器(超音噴管)(8)組成，超音速擴壓器(8)的出口與相同數(shù)量的脈沖管(5)聯(lián)結(jié)，脈沖管(5)末端聯(lián)結(jié)組合共振器(6)其特征是超音轉(zhuǎn)子縮放噴嘴(2)的縮放超音出口與超音噴管(8)縮放進口，構(gòu)成了幾何尺寸固定的超音進口相對流動的自動起動運行結(jié)構(gòu)，超音噴管(8)壁面總轉(zhuǎn)折角1.35°，圓錐角2.7°脈沖管(5)末端聯(lián)結(jié)組合共振器(6)共振腔內(nèi)裝有馬大猶金屬微穿孔板和軸向力平衡結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1，所述的超音熱分離機，其特征是縮放噴嘴出口和縮放噴管進口構(gòu)成了幾何尺寸固定的超音進口相對流動的自動起動運行機構(gòu)，超音噴嘴(2)是由1個或2個具有一定傾斜角度放置的縮放噴嘴構(gòu)成、噴嘴出口馬赫數(shù)M1＞1.2，縮放噴嘴和縮放超音噴管(8)截面積擴張部位的圓錐角2.7°～8°壁面總轉(zhuǎn)折角θmax＝1.35°～4°，超音噴管(8)喉部面積A2*≥超音噴嘴(2)的出口面積A1/ψmax或A1/A1*·1/λ，λ喉部固定的擴壓器壓比，與此相匹配的正流入角(攻角)18°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超音熱分離機，小型機組超音噴管(8)壁面總轉(zhuǎn)折角1.35°。圓錐角2.7°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，所述的超音熱分離機，其特征是脈沖管(5)末端聯(lián)結(jié)組合共振器(6)穿孔率P＝1～1.5％兩端封閉的鋼管內(nèi)裝有馬大猶單層金屬微穿孔板或雙層金屬微穿孔板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1，所述的超音熱分離機，其特征是軸向力平衡結(jié)構(gòu)，是由高壓平衡室(11)低壓平衡室(13)平衡孔(14)構(gòu)成，高壓平衡室(11)是由超音噴嘴(2)的進口與徑向進氣口(1)連通的圓形直管段，直管段兩端封閉，其外壁由設(shè)置在殼體(16)里的迷宮氣封(12)迷宮氣封(15)與排氣口(4)、低壓平衡室(13)之間的動密封點隔開，低壓平衡室(13)由平衡孔(14)與排氣口(4)連通。
全文摘要
一種利用氣體壓力膨脹制冷、可自動起動運行的超音熱分離機，其特征是噴嘴出口M
文檔編號F25B9/14GK101071008SQ20071008717
公開日2007年11月14日 申請日期2007年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月25日
發(fā)明者李樹云, 劉慶梅, 楊泳升 申請人:李樹云, 劉慶梅