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

1.本发明属于气固分离器技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.本发明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。
5.为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
6.一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。
7.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：
8.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；
9.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；
10.贝塞尔曲线上的点均落在由贝塞尔曲线控制点pi构成的凸包之中。
11.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]cgs
(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，xi为分离段i控制点的x坐标，zi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]cgw
(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，xi为排砂段i控制点的x坐标，zi为排砂段i控制点的z坐标，i为i控制点，值为0～3。
[0028]
作为一种优选的方案，所述涡旋管轮廓线的进气段、分离段以及排砂段一阶导数连续；对于进气段与分离段的连接处，进气段轮廓线的一阶导数为：
[0029]z′
＝-tanθ，
[0030]
分离段轮廓线的一阶导数为：
[0031][0032]
式中，z
′
为进气段轮廓线的一阶导数，θ为进气角，x
gs
′
(0)为分离段u值为0时的x坐标一阶导数，z
gs
′
(0)为分离段u值为0时的z坐标一阶导数，δl1为分离段第一个控制点与第二个控制点的距离；使进气段轮廓线的一阶导数与分离段轮廓线的一阶导数相等，实现进气段与分离段连接处的一阶导数连续；
[0033]
对于分离段与排砂段的连接处，分离段轮廓线的一阶导数为：
[0034][0035]
排砂段段轮廓线的一阶导数为：
[0036][0037]
式中，式中，x
gs
′
(1)为分离段u值为1时的x坐标一阶导数，z
gs
′
(1)为分离段u值为1时的z坐标一阶导数，δl2为分离段第三个控制点与第四个控制点的距离，γ为排砂角，x
gw
′
(0)为排砂段u值为0时的x坐标一阶导数，z
gw
′
(0)为排砂段u值为0时的z坐标一阶导数，δl3为排砂段第一个控制点与第二个控制点的距离；使δl2＝δl3，实现分离段与排砂段连接处的一阶导数连续。
[0038]
一种所述基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器的设计方法，包括以下步骤：
[0039]
确定螺旋叶片的端面型线与半径；
[0040]
构造三维坐标系；
[0041]
确定所述基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器的变径系数α、进气角θ、排砂角γ和排气角β；
[0042]
根据所述基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器的变径系数α、进气角θ、排砂角γ和排气角β构造涡旋管的轮廓线的进气段、分离段和排砂段；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；螺旋叶片的轮廓线与涡旋管分离段的轮廓线相同；
[0043]
对涡旋管、螺旋叶片和主流管进行组装，将涡旋管、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，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。
[0044]
作为一种优选的方案，在构造三维坐标系的步骤中，在涡旋管的进气端面构造三维坐标系，将xy平面固结在进气端面所在平面，原点位置位于进气端面中心位置，z轴与xy平面垂直。
[0045]
作为一种优选的方案，在确定所述基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器的变径系数α、进气角θ、排砂角γ和排气角β的步骤中，定义涡旋管的进气段与分离段连接处的半径为r0，涡旋管1的分离段与排砂段连接处的半径为r1，二者之比即为变径系数α；定义涡旋管的入口与水平方向的夹角为吸气角θ，螺旋叶片的轮廓线终点处的方向向量与水平方向的夹角为排砂角γ，涡旋管末端的方向向量与x轴正方向的夹角为排气角β。
[0046]
与现有技术相比，本发明至少具有如下的有益效果：
[0047]
本发明基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器当进气角θ》0
°
时，进气面积增大，从而能够提高进气效率，加快气体与砂尘的分离速度；本发明涡旋管的分离段与螺旋叶片在贝塞尔曲线的基础上采用变径设计，能够提高分离效率，并在提高分离效率的基础上减少涡旋管内部的突变，同时一定程度上减少因尖点产生气流损失。本发明在贝塞尔曲线的基础上对涡旋管分离器进行的设计，具有较大的几何灵活性，构造简单，可以有效地提高涡旋管分离器的砂尘分离效率和气动性能，可以广泛应用在直升机等需要完成砂尘和气体分离场合。
附图说明
[0048]
图1为本发明实施例在涡旋管的进气端面构造三维坐标系示意图；
[0049]
图2为本发明实施例涡旋管的轮廓线由进气段、分离段以及排砂段三部分组成示意图；
[0050]
图3为本发明实施例基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器特征参数位置示意图；
[0051]
图4为本发明实施例涡旋管轮廓线及控制点示意图；
[0052]
图5为本发明实施例螺旋叶片的轮廓线示意图；
[0053]
图6为本发明实施例基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器立体结构示意图。
具体实施方式
[0054]
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0055]
请参阅图6，本发明实施例提出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1、螺旋叶片2和主流管3。如图2所示，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；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，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。
[0056]
更进一步的，本发明实施例还提出一种所述基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器的设计方法，具体包括以下步骤：
[0057]
步骤一：确定螺旋叶片2的端面型线与其半径r0；
[0058]
步骤二：在螺旋叶片2端面型线的基础上构造三维坐标系，以端面型线的中心为坐标系原点，所在平面为xy平面，与之垂直的平面为xz平面和yz平面，如图1所示；
[0059]
步骤三：确定所述基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器的变径系数α、进气角θ、排砂角γ和排气角β，各参数的定义如图2、3所示；
[0060]
步骤四：如图4所示，根据确定的变径系数α、进气角θ、排砂角γ和排气角β构造涡旋管1的排气段、分离段和排砂段的基于贝塞尔曲线的轮廓线，其中，螺旋叶片2的轮廓线与涡旋管1的分离段的贝塞尔曲线相同。
[0061]
步骤五：如图5、6所示，对涡旋管1、螺旋叶片2、主流管3进行组装，将涡旋管1的进气段末端与螺旋叶片2的进气端面对齐，而主流管3与螺旋叶片2的排气端面保持一段距离；将涡旋管1、螺旋叶片2和主流管3同轴设置。
[0062]
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：
[0063]
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；
[0064]
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；
[0065]
贝塞尔曲线上的点均落在由贝塞尔曲线控制点pi构成的凸包之中。
[0066]
上述特征多边形是由贝塞尔曲线的控制点的连接虚线组成的，如图4所示。
[0067]
在步骤三中，定义涡旋管1的进气段与分离段连接处的半径为r0，涡旋管1的分离段与排砂段连接处的半径为r1，二者之比即为变径系数α。定义涡旋管1的入口与水平方向的夹角为吸气角θ，螺旋叶片2的轮廓线终点处的方向向量与水平方向的夹角为排砂角γ，涡旋管1末端的方向向量与x轴正方向的夹角为排气角β。
[0068]
在步骤四中，涡旋管1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段直线；为了减少阻力损失，分离段以及排砂段的轮廓线均采用贝塞尔曲线，并且保证一阶导数连续。
[0069]
定义涡旋管进气段的长度为l
in
，则进气段曲线在该坐标系中的表示为：
[0070]
[0071]
涡旋管分离段的长度记为l，采用三阶贝塞尔曲线，因此需要四个控制点，设四个控制点的坐标分别为p
gs0
(x
gs0
,z
gs0
)、p
gs1
(x
gs1
,z
gs1
)、p
gs2
(x
gs2
,z
gs2
)和p
gs3
(x
gs3
,z
gs3
)以得到轮廓线的三阶贝塞尔曲线，其中点p
gs0
(x
gs0
,z
gs0
)和点p
gs3
(x
gs3
,z
gs3
)为端点，而点p
gs1
(x
gs1
,z
gs1
)和点p
gs2
(x
gs2
,z
gs2
)为中间控制点，此处取第一个控制点与第二个控制点的距离为δl1，第三个控制点与第四个控制点的距离为δl2，二者均为正数。因此分离段的贝塞尔曲线控制点矩阵可以如下表示：
[0072][0073]
所形成的贝塞尔曲线方程为：
[0074]cgs
(u)＝(1-u)3p
gs0
+3u(1-u)2p
gs1
+3u2(1-u)p
gs2
+u3p
gs3
,u∈[0,1]
[0075]
由三阶贝塞尔曲线的参数方程得到三阶贝塞尔曲线中x坐标和z坐标的表达式：
[0076][0077]
上述三阶贝塞尔曲线的一阶导数为：
[0078][0079]
涡旋管排砂段的长度记为l
out
，采用三阶贝塞尔曲线，因此需要四个控制点，设四个控制点的坐标分别为p
gw0
(x
gw0
,z
gw0
)、p
gw1
(x
gw1
,z
gw1
)、p
gw2
(x
gw2
,z
gw2
)和p
gw3
(x
gw3
,z
gw3
)以得到轮廓线的三阶贝塞尔曲线，其中点p
gw0
(x
gw0
,z
gw0
)和点p
gw3
(x
gw3
,z
gw3
)为端点，而点p
gw1
(x
gw1
,z
gw1
)和点p
gw2
(x
gw2
,z
gw2
)为中间控制点，此处取第一个控制点与第二个控制点的距离为δl3，第三个控制点与第四个控制点的距离为δl4，二者均为正数。因此排砂段的贝塞尔曲线控制点矩阵可以如下表示：
[0080][0081]
所形成的贝塞尔曲线方程为：
[0082]cgw
(u)＝(1-u)3p
gw0
+3u(1-u)2p
gw1
+3u2(1-u)p
gw2
+u3p
gw3
,u∈[0,1]
[0083]
由三阶贝塞尔曲线的参数方程得到三阶贝塞尔曲线中x坐标和z坐标的表达式为：
[0084][0085]
上述三阶贝塞尔曲线的一阶导数为：
[0086][0087]
上述三段曲线依次连接即可形成涡旋管的轮廓线，为保证轮廓线光滑，需要保证一阶导数连续，在此只需考虑两个连接点处的导数连续。
[0088]
对于进气段与分离段的连接处，进气段轮廓线的一阶导数为：
[0089]z′
＝-tanθ
[0090]
分离段轮廓线的一阶导数为：
[0091][0092]
二者等价，即进气段与分离段连接处的导数连续。
[0093]
对于分离段与排砂段的连接处，分离段轮廓线的一阶导数为：
[0094][0095]
排砂段轮廓线的一阶导数为：
[0096][0097]
要保证二者相等，只需使得δl2＝δl3。
[0098]
通过验证，相较于传统的涡旋管分离器，采用本发明方法设计的新型涡旋管分离器在给定工况下，较传统涡旋管分离器，对于粒径在3～27微米范围内的砂尘分离效率提高0～1.55％，阻力损失减小173～517pa；对于27微米以上砂尘分离效率提高0～0.45％，阻力损失减小84～263pa。证明了本发明基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器设计方法可行性。
[0099]
以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
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
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
为排砂段i控制点的x坐标，z
i
为排砂段i控制点的z坐标，i为i控制点，值为0～3。6.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)轮廓线的进气段、分离段以及排砂段一阶导数连续；对于进气段与分离段的连接处，进气段轮廓线的一阶导数为：z
′
＝-tanθ，分离段轮廓线的一阶导数为：式中，z
′
为进气段轮廓线的一阶导数，θ为进气角，x
gs
′
(0)为分离段u值为0时的x坐标一阶导数，z
gs
′
(0)为分离段u值为0时的z坐标一阶导数，δl1为分离段第一个控制点与第二个控制点的距离；使进气段轮廓线的一阶导数与分离段轮廓线的一阶导数相等，实现进气段与分离段连接处的一阶导数连续；对于分离段与排砂段的连接处，分离段轮廓线的一阶导数为：
排砂段段轮廓线的一阶导数为：式中，x
gs
′
(1)为分离段u值为1时的x坐标一阶导数，z
gs
′
(1)为分离段u值为1时的z坐标一阶导数，δl2为分离段第三个控制点与第四个控制点的距离，γ为排砂角，x
gw
′
(0)为排砂段u值为0时的x坐标一阶导数，z
gw
′
(0)为排砂段u值为0时的z坐标一阶导数，δl3为排砂段第一个控制点与第二个控制点的距离；使δl2＝δl3，实现分离段与排砂段连接处的一阶导数连续。7.一种如权利要求1-6中任意一项所述基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：确定螺旋叶片(2)的端面型线与半径；构造三维坐标系；确定所述基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器的变径系数α、进气角θ、排砂角γ和排气角β；根据所述基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器的变径系数α、进气角θ、排砂角γ和排气角β构造涡旋管(1)的轮廓线的进气段、分离段和排砂段；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；螺旋叶片(2)的轮廓线与涡旋管(1)分离段的轮廓线相同；对涡旋管(1)、螺旋叶片(2)和主流管(3)进行组装，将涡旋管(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，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。8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，在构造三维坐标系的步骤中，在涡旋管(1)的进气端面构造三维坐标系，将xy平面固结在进气端面所在平面，原点位置位于进气端面中心位置，z轴与xy平面垂直。9.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，在确定所述基于贝塞尔曲线的流线型变直径涡旋管分离器的变径系数α、进气角θ、排砂角γ和排气角β的步骤中，定义涡旋管(1)的进气段与分离段连接处的半径为r0，涡旋管1的分离段与排砂段连接处的半径为r1，二者之比即为变径系数α；定义涡旋管(1)的入口与水平方向的夹角为吸气角θ，螺旋叶片(2)的轮廓线终点处的方向向量与水平方向的夹角为排砂角γ，涡旋管(1)末端的方向向量与x轴正方向的夹角为排气角β。

技术总结
本发明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。


技术研发人员：马凯 何志龙 谌小倩 李丹童
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/7/25