基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器及设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器及设计方法，分离器包括涡旋管、螺旋叶片和主流管；所述涡旋管的轮廓线由进气段、分离段以及排砂段三部分组成，其中，进气段的轮廓线为一条直线，分离段和排砂段的轮廓线为贝塞尔曲线；所述螺旋叶片设置在涡旋管的内部，涡旋管、螺旋叶片和主流管同轴设置，并且涡旋管的进气段末端所在平面与螺旋叶片的进气端面对齐，螺旋叶片的轮廓线与涡旋管分离段的轮廓线相同，所述主流管的一端由涡旋管的排砂段伸入，主流管的端面与螺旋叶片的排气端面之间保持一段距离。本发明专利技术能够在提高砂尘分离效率的同时，减少涡旋管内部的突变，从而减少局部阻力损失，优化涡旋管分离器的气动性能。动性能。动性能。

【技术实现步骤摘要】
基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器及设计方法


[0001]本专利技术属于气固分离器
，具体涉及一种基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器及设计方法。

技术介绍

[0002]涡旋管分离器作为一种新型的轴流导叶式旋风分离器，具有流动损失小、分离效率高、气体处理效率高、单元体积小以及方便布局等优点，因此广泛运用在航空、船舶、冶金等工业领域，直升机进气防护、军舰燃气轮机进气滤清器等军用工业产品之中。
[0003]涡旋管分离器的主要部件包括螺旋叶片、涡旋管和主流管，当其工作时，空气流入分离器，在螺旋叶片的作用下，涡旋管内部产生一个旋转气流场，在旋转气流场中，密度较大的固体颗粒受到较大的惯性离心力的作用，因此作轨迹半径较大的螺旋运动而飞向圆管壁面，当颗粒与圆管壁面发生碰撞后，失去初始速度，随壁面附近气流一起做螺旋运动，通过排砂通道排出，而空气及少数未被捕获的颗粒则从中心位置的主流管流出，从而达到分离净化的效果。目前，对涡旋管分离器的研究大都集中在中心体后缘的改型、叶片扭转角、主流管入口直径、分离器长度、旋流叶片通道长度等基本结构参数的优化方面，而对于从螺旋叶片和涡旋管的主体结构方向进行分离效率和气动性能的优化并没有进行相关研究。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器及设计方法，从螺旋叶片和涡旋管的主体结构上进行分离效率和气动性能的优化，能够在提高砂尘分离效率的同时，减少涡旋管内部的突变，从而减少局部阻力损失，优化涡旋管分离器的气动性能。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术有如下的技术方案：
[0006]一种基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器，包括涡旋管、螺旋叶片和主流管；所述涡旋管的轮廓线由进气段、分离段以及排砂段三部分组成，其中，进气段的轮廓线为一条直线，分离段和排砂段的轮廓线为贝塞尔曲线；所述螺旋叶片设置在涡旋管的内部，涡旋管、螺旋叶片和主流管同轴设置，并且涡旋管的进气段末端所在平面与螺旋叶片的进气端面对齐，螺旋叶片的轮廓线与涡旋管分离段的轮廓线相同，所述主流管的一端由涡旋管的排砂段伸入，主流管的端面与螺旋叶片的排气端面之间保持一段距离。
[0007]作为一种优选的方案，所述螺旋叶片的轮廓线与涡旋管分离段的轮廓线所采用贝塞尔曲线具有如下特征：
[0008]贝塞尔曲线的起点、终点与对应的特征多边形的起点、终点重合；
[0009]贝塞尔曲线起点和终点处的切线方向和特征多边形第一条边及最后一条边的走向一致；
[0010]贝塞尔曲线上的点均落在由贝塞尔曲线控制点P
i
构成的凸包之中。
[0011]作为一种优选的方案，所述涡旋管的进气段轮廓线按照如下表达式进行确定：
[0012][0013]式中，z为涡旋管进气段的轴向坐标位置，y为涡旋管进气段的截面的y向坐标，θ为进气角，x为涡旋管进气段的截面的x向坐标，r0为进气段尾部管内半径，L
in
为进气段长度。
[0014]作为一种优选的方案，所述涡旋管的分离段轮廓线为三阶贝塞尔曲线，四个控制点的坐标表示为以下矩阵：
[0015][0016]形成的三阶贝塞尔曲线表达式为：
[0017]C
gs
(u)＝(1
‑
u)3P
gs0
+3u(1
‑
u)2P
gs1
+3u2(1
‑
u)P
gs2
+u3P
gs3
,u∈[0,1][0018]由三阶贝塞尔曲线表达式得到三阶贝塞尔曲线中x坐标和z坐标的表达式为：
[0019][0020]式中，P
gs
为分离段控制点的坐标矩阵，x
gs0
、x
gs1
、x
gs2
、x
gs3
分别为分离段控制点0、控制点1、控制点2、控制点3的x坐标，z
gs0
、z
gs1
、z
gs2
、z
gs3
分别为分离段控制点0、控制点1、控制点2、控制点3的z坐标，r0为进气段尾部管内半径，L
in
为进气段长度，Δl1为分离段第一个控制点与第二个控制点的距离，Δl2为分离段第三个控制点与第四个控制点的距离，θ为进气角，α为变径系数，γ为排砂角，L为分离段长度，C
gs
(u)为分离段贝塞尔曲线，u为参数范围，值为0～1，P
gw0
、P
gw1
、P
gw2
、P
gw3
分别为分离段控制点0、控制点1、控制点2、控制点3的坐标，x
gw
(u)为分离段u值下的x坐标，z
gw
(u)为分离段u值下的z坐标，x
i
为分离段i控制点的x坐标，z
i
为分离段i控制点的z坐标，i为i控制点，值为0～3。
[0021]作为一种优选的方案，所述涡旋管的排砂段轮廓线为三阶贝塞尔曲线，四个控制点的坐标表示为以下矩阵：
[0022][0023]形成的三阶贝塞尔曲线表达式为：
[0024]C
gw
(u)＝(1
‑
u)3P
gw0
+3u(1
‑
u)2P
gw1
+3u2(1
‑
u)P
gw2
+u3P
gw3
,u∈[0,1][0025]由三阶贝塞尔曲线表达式得到三阶贝塞尔曲线中x坐标和z坐标的表达式为：
[0026][0027]式中，P
gw
为排砂段控制点的坐标矩阵，x
gw0
、x
gw1
、x
gw2
、x
gw3
分别为排砂段控制点0、控制点1、控制点2、控制点3的x坐标，z
gw0
、z
gw1
、z
gw2
、z
gw3
分别为排砂段控制点0、控制点1、控制点2、控制点3的z坐标，α为变径系数，r0为进气段尾部管内半径，L
in
为进气段长度，L为分离段长度，Δl3为排砂段第一个控制点与第二个控制点的距离，Δl4为排砂段第三个控制点与第四个控制点的距离，γ为排砂角，β为排气角，L
out
为排砂段长度，C
gw
(u)为排砂段贝塞尔曲线，u为参数范围，值为0～1，P
gw0
、P
gw1
、P
gw2
、P
gw3
分别为排砂段控制点0、控制点1、控制点2、控制点3的坐标，x
gw
(u)为排砂段u值下的x坐标，z
gw
(u)为排砂段u值下的z坐标，x
i<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器，其特征在于：包括涡旋管(1)、螺旋叶片(2)和主流管(3)；所述涡旋管(1)的轮廓线由进气段、分离段以及排砂段三部分组成，其中，进气段的轮廓线为一条直线，分离段和排砂段的轮廓线为贝塞尔曲线；所述螺旋叶片(2)设置在涡旋管(1)的内部，涡旋管(1)、螺旋叶片(2)和主流管(3)同轴设置，并且涡旋管(1)的进气段末端所在平面与螺旋叶片(2)的进气端面对齐，螺旋叶片(2)的轮廓线与涡旋管(1)分离段的轮廓线相同，所述主流管(3)的一端由涡旋管(1)的排砂段伸入，主流管(3)的端面与螺旋叶片(2)的排气端面之间保持一段距离。2.根据权利要求1所述基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器，其特征在于，所述螺旋叶片(2)的轮廓线与涡旋管(1)分离段的轮廓线所采用贝塞尔曲线具有如下特征：贝塞尔曲线的起点、终点与对应的特征多边形的起点、终点重合；贝塞尔曲线起点和终点处的切线方向和特征多边形第一条边及最后一条边的走向一致；贝塞尔曲线上的点均落在由贝塞尔曲线控制点P
i
构成的凸包之中。3.根据权利要求1所述基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器，其特征在于，所述涡旋管(1)的进气段轮廓线按照如下表达式进行确定：式中，z为涡旋管进气段的轴向坐标位置，y为涡旋管进气段的截面的y向坐标，θ为进气角，x为涡旋管进气段的截面的x向坐标，r0为进气段尾部管内半径，L
in
为进气段长度。4.根据权利要求1所述基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器，其特征在于，所述涡旋管(1)的分离段轮廓线为三阶贝塞尔曲线，四个控制点的坐标表示为以下矩阵：形成的三阶贝塞尔曲线表达式为：C
gs
(u)＝(1
‑
u)3P
gs0
+3u(1
‑
u)2P
gs1
+3u2(1
‑
u)P
gs2
+u3P
gs3
,u∈[0,1]由三阶贝塞尔曲线表达式得到三阶贝塞尔曲线中x坐标和z坐标的表达式为：式中，P
gs
为分离段控制点的坐标矩阵，x
gs0
、x
gs1
、x
gs2
、x
gs3
分别为分离段控制点0、控制点1、控制点2、控制点3的x坐标，z
gs0
、z
gs1
、z
gs2
、z
gs3
分别为分离段控制点0、控制点1、控制点2、控制点3的z坐标，r0为进气段尾部管内半径，L
in
为进气段长度，Δl1为分离段第一个控制点与第二个控制点的距离，Δl2为分离段第三个控制点与第四个控制点的距离，θ为进气角，α为变径系数，γ为排砂角，L为分离段长度，C
gs
(u)为分离段贝塞尔曲线，u为参数范围，值为0～1，P
gw0
、P
gw1
、P
gw2
、P
gw3
分别为分离段控制点0、控制点1、控制点2、控制点3的坐标，x
gw
(u)为
分离段u值下的x坐标，z
gw
(u)为分离段u值下的z坐标，x
i
为分离段i控制点的x坐标，z
i
为分离段i控制点的z坐标，i为i控制点，值为0～3。5.根据权利要求1所述基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器，其特征在于，所述涡旋管(1)的排砂段轮廓线为三阶贝塞尔曲线，四个控制点的坐标表示为以下矩阵：形成的三阶贝塞尔曲线表达式为：C
gw
(u)＝(1
‑
u)3P
gw0
+3u(1
‑
u)2P
gw1
+3u2(1
‑
u)P
gw2
+u3P
gw3
,u∈[0,1]由三阶贝塞尔曲线表达式得到三阶贝塞尔曲线中x坐标和z坐标的表达式为：式中，P
gw
为排砂段控制点的坐标矩阵，x
gw0
、x
gw1
、x
gw2
、x
...

【专利技术属性】
技术研发人员：马凯，何志龙，谌小倩，李丹童，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：