水力旋流器分離技術影響分析

   一、錐角對水力旋流器分離性能和壓降的影響

  錐段為水力旋流器的主要分離段，其中錐段的錐角是影響其分離性能的一個非常重要的參數。為了研究錐段的錐角對分離性能的影響，設計5、7、10°3個錐角進行試驗，試驗結構見圖3。

  從圖3可以看出，分離效率在一定的範圍內是隨著錐角的增大而降低的。因為錐角增大，流體產生的切向速度相對就高，在其他條件相同的情況下，粒子在旋流器中停留的時間要短，所以分離效率會降低。

  從下圖4可以看出，壓降隨著錐段錐角的增大而增大。因為錐角增大會引起旋流器中旋轉角速度增加，從而增加能量損耗。所以認為錐角為5°的水力旋流器為最佳的錐段結構。

  二、導流葉片片數對分離性能和壓降的影響

  在各個錐角係列下，對導流葉片片數n做了大量試驗，試驗結果見圖5。

  試驗基本上體現出如圖5所示的規律：在一定的範圍內，分離效率隨著導流葉片片數的增加而增加。因為隨著葉片的增加，通過導流葉片流道後的高速旋轉流體分布更加均勻，對流場的擾動較小，減少了流場內的紊流，分離到邊壁的固體顆粒就不容易被返混夾帶。但是葉片數也不可能無限地增加，主要是因為隨著葉片的數目的增加，要保證一定的流道寬度就必須減小葉片的厚度，這樣可能使葉片在工作過程中磨損後強度難以保證，造成其壽命大大縮短。

  試驗還表明，壓降隨著導流葉片片數的增加也表現出明顯的增加趨勢。因為葉片數目的增大會增加流體與流道的接觸麵積，導致液體流經葉片時受到的阻力增加。通過試驗綜合分析得出最佳葉片片數為4。

  三、導流葉片出口角對水力旋流器分離性能和壓降的影響

  導流葉片出口角也是葉片設計中非常關鍵的一個參數。為了研究出口角對分離性能和壓降的影響，設計了β=10、15、20°3個係列出口角度，相應的試驗結果見圖6。

  理論上應該是出口角越小，出流速度的切向速度分量越大，顆粒受到的離心力也越大，越容易被分離到器壁，分離效率應該越高，但試驗結果卻表現出20°出口角時的效率最高。其原因可能是對此種顆粒而言，3種出口角下的切向速度均能形成將顆粒迅速分離到器壁的離心力。當出口角越大時，促使分離到器壁的顆粒向底流口運動的軸向分速度就越大，排出更及時，故表現出較高的水力旋流器分離效率。

  試驗還表明，壓降隨著葉片出口角的增大而增大。因為出口角越大，向下的外旋流的軸向速度就越大，相應的向上的內旋流的軸向速度也越大，這樣流體之間的速度梯度就加劇，壓降也就越大。水力旋流器出口角越大，效率越高，但是相應的壓降也會升高，具體選定何種角度的出口角，應根據待分離物料顆粒的密度、粒度結合工藝要求進行綜合考慮。為了使開發的井下多相分離技術有更廣的適應範圍，推薦采用出口角為20°的葉片。

  四、導流葉片流道寬度對水力旋流器分離性能和壓降的影響

  導流葉片流道寬度決定流體流出葉片時的速度，而出流速度又是顆粒所受離心力大小的決定因素。式(1)為出流速度的計算式：

  v=Qi/(nwt)  (1)

  式中v——出流速度，m/s；Qi——入口流量，m3/h；n——導流葉片片數；w——葉片流道寬度，mm；t——葉片厚度，mm。

  由式(1)可以看得出，當入口流量、葉片數和葉片厚度一定的情況下，流道越寬，出流速度越小。試驗也表明，流道窄的葉片比流道寬的葉片表現出更優的分離性能，而流道窄的壓降要明顯高於流道寬的壓降。

  在設計葉片時，流道曲線由方程控製，但出口處為與曲線相切的直線段，一般選定入口流量為5m3/h為設計基準流量，出流流速以10、15、20m/s為設計基準流速，葉片厚度在該直徑水力旋流器型號下為固定值5mm，葉片片數任意。當葉片片數為4時，算出葉片最佳流道寬度w為3.47mm。