V帶傳動(dòng)5臺(tái)組合式動(dòng)態(tài)水力旋流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(說(shuō)明書)

1、I摘要摘要?jiǎng)討B(tài)水力旋流器是建立在技術(shù)相對(duì)比較成熟的靜態(tài)水力旋流器基礎(chǔ)上的新型高效油水分離設(shè)備。作為一種分離設(shè)備，人們希望在連續(xù)工作中獲得較為理想的分離效果。物性參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)及操作參數(shù)的選取不當(dāng)會(huì)對(duì)分離效果產(chǎn)生影響，要達(dá)到理想的分離效果，有必要研究各影響因素之間的關(guān)系及各因素對(duì)分離性能的影響。本文系統(tǒng)分析了水力旋流器的國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及其配套技術(shù)的發(fā)展情況；以及結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)對(duì)油水分離效率的影響，并且在已知技術(shù)參數(shù)下，選擇最佳轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)筒內(nèi)徑，得到最佳長(zhǎng)徑比；選擇最佳的溢流嘴有效直徑，再通過分析比較得到最優(yōu)的外廓結(jié)構(gòu)；在保證液滴充分加速的基礎(chǔ)上，選取最佳分離效率下的旋轉(zhuǎn)柵柵片數(shù)和柵片長(zhǎng)度

2、；分析選擇最佳的收油錐結(jié)構(gòu)；由旋流器所需功率選取電機(jī)，根據(jù)計(jì)算的功率完成 V 帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì) 5 臺(tái)單旋體進(jìn)行空間組合設(shè)計(jì)；分析計(jì)算單旋體的受力，選擇并校核軸承；對(duì)結(jié)構(gòu)中的鍵和螺栓進(jìn)行校核。最終完成 5 臺(tái)水力旋流器的組合設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞： 動(dòng)態(tài)水力旋流器；組合式；油水分離；結(jié)構(gòu)參數(shù)；V 帶傳動(dòng)； IIAbstractThe dynamic hydrocyclone was a new-style and high-efficiency separation equipment . It was based on the technology of hydrocyclone which

3、was more proven. As a separation equipment, better separation performance of dynamic hydrocyclone in continuous working was required. The unsuitable choose of physical property parameter, structural parameter and operation parameter will have effect on separation performance. To obtain perfect separ

4、ation performance, the study on the relation of each influential factor and effect of each factor on performance was necessary.This paper systematically analyzed the hydrocyclone at home and abroad and the research status and supporting the development of the technology; And the structural parameter

5、s and operation parameters on the effect of water-oil separation efficiency, and known technology parameters in, choose the best drum length and drum diameter, get the best ratio length; The overflow of the mouth to choose the best effective diameter, again through the analysis and comparison of the

6、 optimal the contour structure; In guarantee on the basis of full acceleration droplets, select the best separation efficiency of rotation grid gate number of pieces of length and gate; Analysis to select the best cone angle; The power needed by rotary flow select motor, V belt and pulleys, complete

7、 the V belt wheel structure design, and to five units of single screw body space combination design; Analysis and calculation of the single screw body stress, the choice and checked bearing; The key to the structure and bolt test. Finally completed five sets of the hydrocyclone combination design.Ke

8、y words: dynamic hydrocyclone; combined type; oil-water separation; structural parameter; belt driveIII目錄目錄摘要摘要.IAbstract .II目錄目錄.III第第 1 1 章章 緒論緒論 .11.1 本課題研究的意義及現(xiàn)狀.11.2 本文研究的主要內(nèi)容.4第第 2 章章 動(dòng)態(tài)水力旋流器的分離機(jī)理動(dòng)態(tài)水力旋流器的分離機(jī)理 .62.1 動(dòng)態(tài)水力旋流器的主體結(jié)構(gòu).62.2 動(dòng)態(tài)水力旋流器工作原理.82.3 動(dòng)態(tài)水力旋流器與靜態(tài)水力旋流器的比較分析.92.4 主要物性參數(shù)和操作參數(shù).13第第 3

9、 章章 動(dòng)態(tài)水力旋流器主要構(gòu)件設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)水力旋流器主要構(gòu)件設(shè)計(jì) .173.1 轉(zhuǎn)筒參數(shù)化造型設(shè)計(jì).173.2 旋轉(zhuǎn)柵結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)設(shè)計(jì).183.3 溢流嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)選.213.4 收油錐的設(shè)計(jì).243.5 單旋體需要的功率及電機(jī)的選擇.253.6 V 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)及計(jì)算.283.7 鍵的選擇及鍵連接強(qiáng)度校核.333.8 軸承的選擇及壽命校核.353.9 螺栓的選擇及其校核.383.10 密封件的選擇及材料.393.11 部分結(jié)構(gòu)說(shuō)明.40結(jié)論結(jié)論 .42參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .43致謝致謝 .45附件附件 1 .46IV附件附件 2 .641第第 1 1 章章 緒論緒論離心力場(chǎng)的創(chuàng)立和運(yùn)用是科

10、學(xué)和技術(shù)的成就之一，運(yùn)用離心力場(chǎng)進(jìn)行非均相物系的分離是行之有效的方法。離心分離設(shè)備按有無(wú)旋轉(zhuǎn)部件可以分為旋轉(zhuǎn)分離設(shè)備和機(jī)身旋轉(zhuǎn)的離心分離設(shè)備。前者如水力旋流器（亦稱旋流分離器），流體固定的機(jī)身內(nèi)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生離心力場(chǎng)；后者如各種離心機(jī)，由于機(jī)身旋轉(zhuǎn)而帶動(dòng)內(nèi)部流體作回旋運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生離心力場(chǎng)。由于前者沒有運(yùn)動(dòng)部件，具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。設(shè)備緊湊、占地面積小和設(shè)備成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而受到了廣泛的關(guān)注和研究。1.1 本課題研究的意義及現(xiàn)狀本課題研究的意義及現(xiàn)狀1.1.1 本文研究的意義本文研究的意義原油是一粘稠狀的非牛頓流體，由于粘度大，一方面進(jìn)行原油的靜態(tài)旋流脫水需要建立更強(qiáng)的離心力場(chǎng)，另一方面也明顯增加了阻

11、力損失。兩者綜合作用的結(jié)果極大地制約了靜態(tài)旋流分離技術(shù)在原油脫水凈化方面的應(yīng)用，故實(shí)現(xiàn)原油旋流脫水凈化較有可能的技術(shù)方案是采用動(dòng)態(tài)旋流分離技術(shù)。動(dòng)態(tài)水力旋流器由電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋流筒作高速旋轉(zhuǎn)，介質(zhì)進(jìn)入旋流筒后，在粘性剪切作用下產(chǎn)生高速旋流，控制旋流筒的轉(zhuǎn)速即可調(diào)節(jié)筒內(nèi)離心力場(chǎng)的強(qiáng)度，滿足不同的分離質(zhì)量要求。因此，動(dòng)態(tài)旋流分離設(shè)備的工作適應(yīng)性很強(qiáng)，如果變速機(jī)構(gòu)允許，甚至可以實(shí)現(xiàn)一物多用即一臺(tái)設(shè)備既可用于污水旋流除油，也可用于原油的旋流脫水凈化1。盡管動(dòng)態(tài)水力旋流器在試驗(yàn)研究階段已顯示出優(yōu)越的分離性能。但至今尚未達(dá)到工業(yè)化推廣應(yīng)用階段，其主要原因是結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)還不夠合理，室內(nèi)試驗(yàn)工況與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況

12、差別較大。雖然水力旋流器的一些缺點(diǎn)使得其應(yīng)用受到一定的限制，但它具有許多其他分離設(shè)備所不具有的特點(diǎn)，以致使它成為許多領(lǐng)域較為理想的分離設(shè)備。同時(shí)，水力旋流器新工藝及配套技術(shù)研究工作將使水力旋流器在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中能揚(yáng)長(zhǎng)避短，發(fā)揮更好的應(yīng)用效果。隨著研究的深入，水力旋流器由固-液分離進(jìn)而擴(kuò)展到兩種不互溶液體介質(zhì)的液-液2分離以及氣-液分離、氣-固-液三相分離等，成為一種多功能、多用途的高效分離裝置。現(xiàn)在，水力旋流器在許多領(lǐng)域己成為重要的高效分離設(shè)備。如用水力旋流器處理船舶的底艙水和油輪的壓艙水，使處理后的水完全符合公海排放標(biāo)準(zhǔn);在核工業(yè)中，可用于從均相反應(yīng)堆中分離出較為粗大的顆粒;也可用于稀土元素和裂

13、變物質(zhì)的分離等方面。根據(jù)不同需求，開展水力旋流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、操作參數(shù)優(yōu)選與配套技術(shù)研究，使水力旋流器在更廣闊的領(lǐng)域內(nèi)大有可為。近年來(lái)的油田生產(chǎn)實(shí)際表明，油田開發(fā)必須走“以經(jīng)濟(jì)效益為中心”的發(fā)展道路，這在一定意義上促使生產(chǎn)中相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)（如水處理技術(shù)等）要適應(yīng)需要，開發(fā)出成本低、效率高、使用壽命長(zhǎng)的新技術(shù)、新工藝及新產(chǎn)品。以水力旋流器為核心的旋流分離技術(shù)及其配套工藝技術(shù)研究的應(yīng)用前景將十分廣闊，對(duì)油田開發(fā)污水處理工藝體系的高效化與小型化都具有十分重要的意義。（1）在聯(lián)合站應(yīng)用，可代替一級(jí)脫水與一級(jí)沉降。中轉(zhuǎn)站來(lái)液經(jīng)水力旋流器預(yù)分離處理后，油直接送至電脫水器，水直接送至污水處理站。簡(jiǎn)化了工藝，節(jié)約

14、了占地面積，降低了設(shè)備投資成本。（2）在中轉(zhuǎn)站采用預(yù)分離水力旋流器解決中轉(zhuǎn)站就地放水與回?fù)接盟葐栴}。減少外輸液量，節(jié)約水資源，同時(shí)減少了運(yùn)行費(fèi)用。（3）在邊緣地區(qū)的小區(qū)塊上直接處理油井采出液，將預(yù)分離水力旋流器及污水處理水力旋流器用于就地處理與回注系統(tǒng)中，減少管網(wǎng)的鋪設(shè)，大大節(jié)約了投資，降低了開采成本。（4）在井下分離方面，采用預(yù)分離水力旋流器與雙流泵配合，直接在井下對(duì)產(chǎn)出液進(jìn)行處理，可使采出原油的含水率由90%以上降至50%，降低了原油開采成本，簡(jiǎn)化了地面水處理工藝及設(shè)備。隨著產(chǎn)出液含水率的不斷提高，此項(xiàng)應(yīng)用必將迅速得到推廣，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。（5）將污水處理用水力旋流器制成移

15、動(dòng)式或固定式油-水分離設(shè)備，用于井下工具或其他工具的清洗等，減少油田廢水的排放，對(duì)節(jié)約能源及環(huán)境保護(hù)都具有積極的意義。本文重點(diǎn)針對(duì)上述問題進(jìn)行研究，對(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過本文的研究?jī)?yōu)選出具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的動(dòng)態(tài)水力旋流器的成功研制必將加速動(dòng)態(tài)旋流分離技術(shù)的推廣應(yīng)用。將使現(xiàn)有的復(fù)雜、龐大的油田地面處理系統(tǒng)過渡為簡(jiǎn)潔、小型、高效的裝置化、連續(xù)密閉操作系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了油田地面處理工藝系統(tǒng)。31.1.2 課題研究現(xiàn)狀課題研究現(xiàn)狀（1）旋流分離技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究概況旋轉(zhuǎn)流分離是離心力場(chǎng)在分離科技方面的重要應(yīng)用之一。水力旋流器（如圖 1-1）是旋轉(zhuǎn)流分離技術(shù)方面的代表性設(shè)備，是一種用途十分廣泛的通用分

16、離分級(jí)設(shè)備。首先在選礦和采礦工業(yè)中獲得應(yīng)用，迄今已經(jīng)在礦物加工、石油、化工、輕工、環(huán)保、食品、醫(yī)藥、紡織與染料、采礦、冶金、機(jī)械、建材及煤炭等眾多工業(yè)部門獲得了廣泛的應(yīng)用，而且由于水力旋流器結(jié)構(gòu)及型式的同趨多樣化，其應(yīng)用領(lǐng)域仍在不斷擴(kuò)展，近年已被越來(lái)越多地應(yīng)用到生物工程的分離作業(yè)中，甚至還被應(yīng)用到電解過程中。水力旋流器的應(yīng)用包括固液分離、液氣分離、固固分離、液液分離、液氣固三相同時(shí)分離以及其他應(yīng)用，可以用于液體澄清、料漿濃縮、固相顆粒洗滌、液相除氣與除砂、固相顆粒分級(jí)與增濃，以及兩種非互溶液體的分離等多種過程作業(yè)。圖 1-1 水力旋流器使用實(shí)物圖水力旋流器的基本工作原理和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的提出已經(jīng)有一

17、百多年了，但是直到二戰(zhàn)以后才被有效的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。從 20 世紀(jì) 50 年代開始，旋流分離技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域以及規(guī)模均得到了迅速的發(fā)展，同時(shí)也吸引了越來(lái)越多的科學(xué)工作者致力于旋流分離技術(shù)的理論分析和應(yīng)用研究。20 世紀(jì) 80 年代后，在全球范圍內(nèi)形成了一個(gè)相當(dāng)大規(guī)模的學(xué)術(shù)梯隊(duì)，各國(guó)都有相當(dāng)數(shù)量的研究人員致力于旋流分離技術(shù)的研究。從 1980 年起由 BHRA （British Hydromechanics Research Association）英國(guó)流體力學(xué)研究會(huì)發(fā)起的旋流分離器國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)已經(jīng)開始定期召開。國(guó)內(nèi)四川大學(xué)的陳文梅、褚良銀等教授在旋流器的湍流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和數(shù)值模擬，旋轉(zhuǎn)流浮選分離

18、與分級(jí)過程行為與特性等4方面進(jìn)行了深入的研究。在現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)和計(jì)算機(jī)與模擬技術(shù)飛速發(fā)展的今天，人們對(duì)旋流分離的工作機(jī)理及過程行為有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，大大推動(dòng)了水力旋流器結(jié)構(gòu)模式的多樣化，使其在越來(lái)越多的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮了更大的作用。（2）配套技術(shù)工藝研究現(xiàn)狀水力旋流分離技術(shù)正處在不斷發(fā)展和完善的進(jìn)程之中，其在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中的應(yīng)用對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。從1980年起，國(guó)際上相繼召開了6次水力旋流器的專題會(huì)議，對(duì)世界各地在旋流分離領(lǐng)域的最新研究成果進(jìn)行交流2。但是，可以看到對(duì)于水力旋流器的工藝研究和配套技術(shù)研究從事的并不多，僅僅從事了一些現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究的探索。在國(guó)內(nèi)，液-液旋流分離技術(shù)在上世

19、紀(jì)90年代初期才引入我國(guó)。在研究方面，多集中在室內(nèi)的機(jī)理研究工作和新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)選方面。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的水力旋流配套工藝設(shè)備基本上是從國(guó)外單位引進(jìn)。國(guó)內(nèi)部分單位的實(shí)際應(yīng)用表明，引進(jìn)的技術(shù)存在成本高而且不能很好適應(yīng)國(guó)內(nèi)油田實(shí)際工況等缺點(diǎn)，因此，國(guó)內(nèi)必須走借鑒、研發(fā)與應(yīng)用相結(jié)合的資助研究的道路。目前，國(guó)內(nèi)在油田水處理方面仍普遍采用重力沉降設(shè)備，如游離水脫除器等，在實(shí)際應(yīng)用上具有處理效率低等問題。為此，國(guó)內(nèi)許多生產(chǎn)單位和研究機(jī)構(gòu)近年都開始從事有關(guān)分離新技術(shù)的研究，如旋流分離、氣浮選、膜分離等。通過幾年來(lái)與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際的緊密結(jié)合，正逐步開展增壓方式研究、配套技術(shù)研究等，取得了一定的進(jìn)展。同時(shí)，這方面研

20、究還很是不足，有待進(jìn)一步深入研究。1.2 本文研究的主要內(nèi)容本文研究的主要內(nèi)容（1）對(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器分離機(jī)理的理論分析；分析了動(dòng)態(tài)水力旋流器的工作原理，分析了動(dòng)態(tài)水力旋流器內(nèi)液滴的受力及運(yùn)動(dòng)行為，以及操作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和介質(zhì)物性參數(shù)等因素對(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器分離性能的影響。（2）對(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器的轉(zhuǎn)筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選取轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度和內(nèi)徑，得到最佳長(zhǎng)徑比。（3）對(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器的旋轉(zhuǎn)柵進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選取最佳的柵片數(shù)和柵片長(zhǎng)度，優(yōu)化旋轉(zhuǎn)柵的中心孔內(nèi)徑以及分流面。（4）對(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器的溢流嘴進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選取最優(yōu)的有效直徑，并對(duì)溢流嘴的外輪廓進(jìn)行優(yōu)化。5（5）對(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器的收油錐進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選擇最佳

21、的收油錐錐角。（6）對(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器的支架、固定筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)到最佳的裝配精度。（7）對(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器的功率損耗進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)5臺(tái)單旋體選用最佳的空間組合方式。6第第 2 章章 動(dòng)態(tài)水力旋流器的分離機(jī)理動(dòng)態(tài)水力旋流器的分離機(jī)理2.1 動(dòng)態(tài)水力旋流器的主體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)水力旋流器的主體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)水力旋流器由入液腔、旋轉(zhuǎn)筒、溢流腔、底流腔等組成。主要結(jié)構(gòu)有傳動(dòng)輪、轉(zhuǎn)筒、旋轉(zhuǎn)柵、收油桿、溢流嘴及其調(diào)節(jié)組件等構(gòu)成;輔助部分有電機(jī)、V 帶、帶輪、底座、支架、軸承、機(jī)械密封等，輔助構(gòu)件主要包括底座、支架、軸承、機(jī)械密封及標(biāo)準(zhǔn)緊固件等4，主體結(jié)構(gòu)見示意圖 2-1，其實(shí)物照片見圖 2-2。為了使主體結(jié)構(gòu)有良好的

22、對(duì)中性，設(shè)計(jì)時(shí)考慮將兩支承置于同一導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌采用高精度導(dǎo)向形式，既方便安裝與拆卸維修，又易提高不同轉(zhuǎn)筒尺寸參數(shù)試驗(yàn)的精度。1-入液腔,2-機(jī)械密封組件,3-軸承,4-傳動(dòng)輪,5-旋轉(zhuǎn)柵,6-轉(zhuǎn)筒,7-溢流嘴,8-溢流腔,9-底流腔,10-底座,11-帶輪和V帶12-支架,13-電機(jī)圖2-1 水力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖圖2-2 水力旋流器實(shí)物照片7從動(dòng)態(tài)水力旋流器結(jié)構(gòu)看，它不像靜態(tài)水力旋流器有較復(fù)雜的切向入口、圓柱段旋流腔、大小錐段及長(zhǎng)長(zhǎng)的尾管。影響靜態(tài)水力旋流器分離性能的主要結(jié)構(gòu)因素有切向入口形式及個(gè)數(shù)、旋流腔主直徑及長(zhǎng)度、大小錐段結(jié)構(gòu)形式及尺寸等，其旋流腔主直徑主要決定處理量的大小，大錐段主要進(jìn)

23、行旋流分離預(yù)加速，小錐段主要起分離作用，尾管主要是穩(wěn)定油核，幾乎沒有分離作用5；動(dòng)態(tài)水力旋流器沿轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度方向?yàn)橹饕蛛x區(qū)，影響其分離性能的主要結(jié)構(gòu)因素有旋轉(zhuǎn)柵、旋轉(zhuǎn)筒、溢流嘴等。由此可見動(dòng)態(tài)水力旋流器結(jié)構(gòu)雖然有些復(fù)雜，但其主要分離區(qū)域明顯增加，并目液體的高速旋轉(zhuǎn)是由外部動(dòng)力（電機(jī)）驅(qū)動(dòng)完成的，因此其分離效率的獲得是靠犧牲外部動(dòng)力損失（能量的轉(zhuǎn)化）實(shí)現(xiàn)的。它在較低壓力下便可運(yùn)行，工作壓力較高時(shí)更能運(yùn)行。它的壓力損失非常小靜態(tài)水力旋流器內(nèi)液體的高速旋轉(zhuǎn)是靠液體自身的壓力提供的，即運(yùn)行；時(shí)必須有足夠的入口壓力保持來(lái)液高速旋轉(zhuǎn)，因此其分離效率的獲得是通過犧牲液體自身的壓力損失來(lái)完成的，其壓力損失相對(duì)比

24、較大6。動(dòng)態(tài)水力旋流器轉(zhuǎn)筒高速旋轉(zhuǎn)時(shí)在旋流腔內(nèi)形成使液體離心分離的渦流。因此，轉(zhuǎn)筒運(yùn)行是否平穩(wěn)極大地影響動(dòng)態(tài)水力旋流器的分離性能7。旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)有利十形成穩(wěn)定的油核，便使它從排油口排出。若轉(zhuǎn)筒各段同軸度精度不高則高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的偏心力，并引起激烈的振動(dòng)，將嚴(yán)重影響油滴向轉(zhuǎn)筒中心運(yùn)移，使油核發(fā)生較大的變形，甚至無(wú)法產(chǎn)生油核。各支承座孔間的同軸度也會(huì)影響轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性和密封結(jié)構(gòu)的密封性能。因此轉(zhuǎn)筒需作靜、動(dòng)平衡測(cè)試，才能保證其運(yùn)轉(zhuǎn)較為平穩(wěn)。密封結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)既可保證密封性能、降低功率消耗，又能提高設(shè)備使用周期。動(dòng)態(tài)水力旋流器屬十動(dòng)力設(shè)備，裝置自振以及與地基共振對(duì)分離效率的影響不可忽視。這需要改

25、善傳動(dòng)結(jié)構(gòu)8，提高制造精度及改進(jìn)底座形式，合理選用材質(zhì)，盡量避免在有效分離的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生與地基共振的現(xiàn)象；需要調(diào)整部分結(jié)構(gòu)參數(shù)，如溢流嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其位置的合理布置，優(yōu)化旋轉(zhuǎn)柵結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)等。需要改變?nèi)肟凇⒊隹诠芫€以減少壓力損失9，合理控制溢流口壓力并盡量降低溢流壓力損失。動(dòng)態(tài)水力旋流器單旋體由轉(zhuǎn)筒、旋轉(zhuǎn)柵、入液及出液支承軸段等組成。單旋體高速度旋轉(zhuǎn)，其軸向尺寸較大，因此保證旋體各段內(nèi)、外旋轉(zhuǎn)表面的同軸度極為關(guān)鍵。通過靜、動(dòng)平衡測(cè)試，保證轉(zhuǎn)筒高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所必需的回轉(zhuǎn)精度，減少設(shè)備自振。保證旋轉(zhuǎn)柵加工精度，此時(shí)導(dǎo)流對(duì)中性增強(qiáng)、過流充分、流動(dòng)阻力降低，使預(yù)旋轉(zhuǎn)的旋流強(qiáng)度增加，提高了樣機(jī)的分離性能

26、10。82.2 動(dòng)態(tài)水力旋流器工作原理動(dòng)態(tài)水力旋流器工作原理動(dòng)態(tài)水力旋流器是利用兩種不互溶液體介質(zhì)問的密度差進(jìn)行離心分離。待分離的油水混合液由入液口進(jìn)入旋流器，液流流過旋轉(zhuǎn)柵流道和尾部導(dǎo)向錐，旋轉(zhuǎn)柵對(duì)來(lái)入液起導(dǎo)流及預(yù)旋轉(zhuǎn)加速作用?；旌弦毫髟谵D(zhuǎn)動(dòng)外殼的帶動(dòng)下，產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，邊壁的液流與轉(zhuǎn)筒殼體內(nèi)壁間的摩擦阻力作用產(chǎn)生一個(gè)渦速度場(chǎng)分布，重質(zhì)水相受離心力作用運(yùn)移到邊壁處23，同時(shí)在軸向力的作用下由底流出口排出，油滴則向中心運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的油核，最終經(jīng)溢流嘴及收油桿組件排出，最終實(shí)現(xiàn)油水分離，如示意圖 2-311。圖 2-3 水力旋流器工作原理圖從宏觀上來(lái)，油水混合液由動(dòng)態(tài)水力旋流器的入液

27、口進(jìn)入，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)柵，液體由直線形運(yùn)動(dòng)變成在旋流體內(nèi)邊旋轉(zhuǎn)邊沿軸心向下的運(yùn)動(dòng)。這樣油和水在旋流體內(nèi)發(fā)生分離，同時(shí)在軸向力的作用下，油核沿軸心向下運(yùn)動(dòng)，經(jīng)溢流口排出設(shè)備外，分離后的水從旋流體的底流口排出?？烧J(rèn)為油水在該裝置內(nèi)的軸向流動(dòng)是近似平行12。動(dòng)態(tài)水力旋流器除了在旋流腔內(nèi)部的導(dǎo)流錐及轉(zhuǎn)筒周壁附近由于摩擦可能引起小小的紊流外，沿轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度方向上的切向速度與軸向速度基本恒定，流場(chǎng)穩(wěn)定性較好，可以認(rèn)為是沒有紊流的渦流場(chǎng)13。這比靜態(tài)水力旋流器在旋流腔及大錐段均有紊流影響要好得多。因此，盡管動(dòng)態(tài)水力旋流器在結(jié)構(gòu)及操作運(yùn)行上要比靜態(tài)水力旋流器稍復(fù)雜，但它在分離效率及處理效果、處理量及壓力變化的適應(yīng)性，油

28、田產(chǎn)出液的處理等方面有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，因此有必要加以深入開發(fā)研究。92.3 動(dòng)態(tài)水力旋流器與靜態(tài)水力旋流器的比較分析動(dòng)態(tài)水力旋流器與靜態(tài)水力旋流器的比較分析2.3.1 技術(shù)原理比較技術(shù)原理比較兩者都是利用水力旋流離心作用實(shí)現(xiàn)不同相之間的分離，但離心力場(chǎng)的建立方法有所不同：靜態(tài)水力旋流器是由壓能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能來(lái)形成離心力場(chǎng)，而動(dòng)態(tài)水力旋流器是外加電能帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)筒所形成的。動(dòng)態(tài)水力旋流器內(nèi)部?jī)H在入口錐及筒壁附近由于摩擦可能引起些紊流外。沿圓筒軸線方向切向速度與軸向速度基本恒定，流場(chǎng)穩(wěn)定性好，可認(rèn)為是沒有紊流的渦流場(chǎng)。而靜態(tài)水力旋流器在旋流腔及大錐段均有紊流存在，一方面會(huì)引起液滴的破碎，另一方面阻礙油滴向中心

29、運(yùn)動(dòng)，降低了分離效率。從內(nèi)部流場(chǎng)來(lái)看。切向速度決定了處理液所受離心力的大小。圖2-4是靜態(tài)水力旋流器與動(dòng)態(tài)水力旋流器切向速度場(chǎng)的比較。動(dòng)態(tài)水力旋流器的最大切向速度Vmax在距軸心三分之一半徑處，以Vmax為界分為兩個(gè)渦流區(qū)，外部為自由渦，內(nèi)部為強(qiáng)制渦，是一種組合渦的結(jié)構(gòu)。這一點(diǎn)與靜態(tài)旋流器相似。其不同在于動(dòng)態(tài)水力旋流器的最大切向速度峰值更高。即渦流場(chǎng)的強(qiáng)度更強(qiáng)；強(qiáng)制渦區(qū)域加大；邊界切向速度不為零。另外，由于外殼旋轉(zhuǎn)，沿動(dòng)態(tài)水力旋流器軸線方向上，器壁附近液體的切向速度不會(huì)逐漸遞減，從而內(nèi)部任意半徑處的切向速度均不會(huì)受軸向位置的影響即從入口到出口處切向速度不變兩相介質(zhì)的分離區(qū)域加長(zhǎng)，因而分離效率更

30、高14。圖2-4 靜態(tài)水力旋流器與動(dòng)態(tài)水力旋流器切向速度場(chǎng)的比較通過激光流速計(jì)的測(cè)繪還可得到兩種旋流器中離心加速度的分布情況。圖2-5、圖2-6分別是靜態(tài)、動(dòng)態(tài)水力旋流器中的離心加速度分布曲線。從對(duì)比分析來(lái)看：靜態(tài)水力旋流器的峰值出現(xiàn)在距軸心較近之處衰減非常迅速，其有效分離區(qū)較小；而動(dòng)態(tài)10旋流器則恰巧相反其有效分離區(qū)遠(yuǎn)大于靜態(tài)旋流器。因此，動(dòng)態(tài)旋流器內(nèi)的力場(chǎng)分布更加合理更利于分離過程的進(jìn)行14。圖2-5 靜態(tài)水力旋流器中的離心加速度場(chǎng) 圖2-6 動(dòng)態(tài)水力旋流器中的離心加速度場(chǎng)2.3.2 分離性能比較分離性能比較英國(guó)南安普頓（Southampton）大學(xué)設(shè)計(jì)的F型靜態(tài)水力旋流器，其單管臨界分離

31、11粒徑為60m，雙管和三管串聯(lián)的臨界分離粒徑分別為40m和30m，液體停留時(shí)間為2s；而后，經(jīng)過科技人員的不斷開發(fā)，靜態(tài)水力旋流器的單管I臨界分離粒徑可達(dá)3020m，當(dāng)處理含油污水時(shí)，對(duì)7m油滴的分離效率為50，液體停留時(shí)間小于2s：動(dòng)態(tài)水力旋流器的臨界分離粒徑可達(dá)15m，當(dāng)處理含油污水時(shí),對(duì)7m油滴的分離效率為80（參見圖2-7） ，液體停留時(shí)間為310s，處理后的水中含油為825mg/L14。圖 2-7 靜、動(dòng)態(tài)水力旋流器的水中除油性能比較2.3.3 操作性能比較操作性能比較（1）入口壓力靜態(tài)水力旋流器入口壓力一般應(yīng)在0.72.1MPa，以便驅(qū)動(dòng)液流旋轉(zhuǎn)，建立所需要的離，心力場(chǎng)，其壓力損

32、失相對(duì)較大，一般在0.3MPa以上；動(dòng)態(tài)水力旋流器入口壓力一般應(yīng)在0.391.33MPa，其壓力損失相對(duì)較小，一般在0.2MPa以下。（2）操作彈性在高效區(qū)上，動(dòng)態(tài)水力旋流器可在額定處理量的10200下運(yùn)行，而靜態(tài)水力旋流器只在額定處理量的40100下運(yùn)行；在處理量上，靜態(tài)旋流器分離效率受處理量變化的影響較大入口流量減少時(shí)其效果下降明顯。而動(dòng)態(tài)水力旋流器在流量減小時(shí)，其分離效率反而提高。其原因一方面在于動(dòng)態(tài)水力旋流器具有較強(qiáng)的離心力場(chǎng)。另一方面在于相對(duì)提高了液相在設(shè)備內(nèi)的有效停留時(shí)間。在處理量加大時(shí)，兩者的分離效率都有所下降，靜態(tài)旋流器分離效率的下降更為明顯；在入口含油量上，動(dòng)態(tài)水12力旋流器

33、能適應(yīng)入口含油量變化較大的情況，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)入口含油從330mg/L上升到660mg/L時(shí)，水流的含油濃度為只從22mg/L上升到24mg/L；而靜態(tài)旋流器則要求入口含油2000mg/L。（3）分流比分流比定義為富油相出口流量與水力旋流器處理量之比。當(dāng)分流比變化時(shí)，動(dòng)態(tài)水力旋流器的分離性能沒有太大的變化。所以動(dòng)態(tài)水力旋流器對(duì)分流比不敏感，故可在較小的分流比下進(jìn)行操作。以減少富油相的再處理量：靜態(tài)水力旋流器的分流比一般在5以下，與動(dòng)態(tài)水力旋流器比較，需要處理的富油相量更多。（4）維護(hù)性能靜態(tài)水力旋流器沒有運(yùn)動(dòng)部件，基本不需要維護(hù)工作；動(dòng)態(tài)水力旋流器設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高、維護(hù)工作量大，存在有動(dòng)

34、平衡和動(dòng)密封問題，在底流出口附近易產(chǎn)生固體顆粒的聚積而形成污垢。當(dāng)軸向速度較小時(shí)有可能出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象14。2.3.4 動(dòng)態(tài)水力旋流器的優(yōu)缺點(diǎn)動(dòng)態(tài)水力旋流器的優(yōu)缺點(diǎn)動(dòng)態(tài)水力旋流器作為旋流分離技術(shù)的一個(gè)新的分支，具有靜態(tài)水力旋流器所不具備的優(yōu)點(diǎn)。它一方面使旋流分離技術(shù)提高到一個(gè)新的水平，另一方面為旋流技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路。動(dòng)態(tài)水力旋流器與靜態(tài)水力旋流器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）動(dòng)態(tài)水力旋流器的旋流腔借助外部動(dòng)力產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速比靜態(tài)水力旋流器高幾十倍，油滴在旋流腔內(nèi)授充分分離，極大地提高了旋流器的分離效率；（2）由于動(dòng)態(tài)水力旋流器不是靠液體自身的運(yùn)動(dòng)造旋的，故對(duì)來(lái)液壓力及流量的要求不嚴(yán)格，有利

35、于現(xiàn)場(chǎng)操作；（3）旋流轉(zhuǎn)速的提高，加大了不同相質(zhì)的離心力差值，有利于密度差較小的兩種不互溶液體的分離。當(dāng)然，動(dòng)態(tài)水力旋流器也存在以下缺點(diǎn)：（1）外殼轉(zhuǎn)動(dòng)，造成固體顆粒在邊壁的積聚，易產(chǎn)生污垢；（2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外殼的轉(zhuǎn)動(dòng)必須依靠電動(dòng)機(jī)等動(dòng)力源15。132.4 主要物性參數(shù)和操作參數(shù)主要物性參數(shù)和操作參數(shù)2.4.1 原油含水率原油含水率查閱資料得到的原油含水率與分離效率之間的關(guān)系如圖2-8?？梢钥闯?，隨著入口含水率的升高，分離效率也逐漸升高；入口含水率超過80%時(shí)，分離效率達(dá)到90以上3。圖 2-8 原油含水率與分離效率的關(guān)系2.4.2 介質(zhì)溫度介質(zhì)溫度溫度與分離效率之間的關(guān)系如圖 2-9 所示。

36、圖2-9 溫度與分離效率關(guān)系曲線可以看出，當(dāng)溫度在2070時(shí)，分離效率逐漸升高。這是因?yàn)樯邷囟仁乖囼?yàn)介質(zhì)的粘度下降，油水界面張力下降，介質(zhì)的流動(dòng)性加強(qiáng)，有利于分離3。2.4.3 轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速不同處理量下的轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速與分離效率之問的關(guān)系如圖2-10所示。一般認(rèn)為，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速較高時(shí)效率也高，這是因?yàn)榱髁恳欢〞r(shí)液流加快，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速14增高，油水介質(zhì)的徑向壓力差越大，分離也越好。最高轉(zhuǎn)速時(shí)，分離能力可達(dá)到最大，理論上效率應(yīng)最高，但由于整個(gè)裝置的人口壓力及壓力降急劇增加，振動(dòng)加劇，因此此時(shí)效率達(dá)不到最高。此外，當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時(shí)，旋轉(zhuǎn)柵對(duì)分散相油滴乳化程度加大而難以分離，使分離效率下降。高轉(zhuǎn)速還會(huì)使裝置使用壽

37、命及運(yùn)行可靠性受到限制，增加運(yùn)行成本3。圖2-10 轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速與分離效率關(guān)系曲線2.4.4 處理量處理量處理量即單位時(shí)間內(nèi)通過水力旋流器的液體量的大小，即入口流量，通常用Q，表示，國(guó)際單位m3/h，表示每小時(shí)或每天的流量（m3） 。對(duì)于固定結(jié)構(gòu)的水力旋流器，其處理量是有限的，過高的處理量將會(huì)產(chǎn)生過大的壓力損失，同時(shí)也使液體進(jìn)入旋流器的速度過高，有可能使液滴破碎，不利十分離。處理量過低會(huì)使液流進(jìn)入水力旋流器的流速大幅度下降，不能形成強(qiáng)度足夠的渦流，對(duì)分離也是很不利的。因此，任何一臺(tái)水力旋流器都有一個(gè)合理的處理量范圍，即額定處理量區(qū)。實(shí)際應(yīng)用要求額定處理量區(qū)越大越好，以利于適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工況的變化，具有更

38、高的靈活性。實(shí)際運(yùn)行時(shí)來(lái)自入口的液體將由溢流管和底流管排出水力旋流器，因此，根據(jù)物料平衡原理，應(yīng)有下式成立。 （2-1）duiQQQ式中：溢流出口流量（即溢流量） ；uQ底流出口流量（即底流量） 。dQ如圖2-11，入口流量在612m3/h分離效率逐漸增高； 入口流量10 m3/h效率隨人口流量的增加而緩慢增高；人15口流量在l013 m3/h離效率變化不大。確定合理流量區(qū)間為1013m3/h。高轉(zhuǎn)速時(shí)，液滴剪切乳化程度增加，使分離效率下降；高流量時(shí)，液體在旋流腔速度加快，停留時(shí)間變短，不利于分離，而使分離效率下降。另外，流量過大會(huì)破壞動(dòng)態(tài)水力旋流器內(nèi)部流場(chǎng)的穩(wěn)定性，使分離效率下降3。圖 2-

39、11 入口流量與分離效率之間的關(guān)系曲線2.4.5 分流比分流比分流比F定義為溢流量（出油量）占（入口總流量）的百分比，即 （2-2）%100/tuQQF式中：溢流量，；uQ/hm3處理量，。tQ/hm3分流比與分離效率之間的關(guān)系如圖2-12?？梢钥闯觯至鞅葘?duì)分離效率影響不顯著，分流比在812%時(shí)，分離效率達(dá)84%以上。分流比大小的確定與人口含油（含水）百分比有關(guān)。就本試驗(yàn)而言，目的是使溢流含水越少越好，因此在保證底流含油量盡可能少的前提下，分流比越小越好。因?yàn)楫?dāng)人口流量和轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速一定時(shí)，適當(dāng)減小分流比，溢流流量相應(yīng)減少，隨溢流排出的水相應(yīng)減少，人口所含的油盡可能多地都從溢流排出，因此分離效率

40、得到提高3。16圖2-12 分流比與分離效率關(guān)系曲線本文設(shè)計(jì)的水力旋流器的物性參數(shù)和操作參數(shù)：介質(zhì)溫度為50，處理量為12，分流比為10%，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速1460r/min。/hm317第第 3 章章 動(dòng)態(tài)水力旋流器主要構(gòu)件設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)水力旋流器主要構(gòu)件設(shè)計(jì)3.1 轉(zhuǎn)筒參數(shù)化造型設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)筒參數(shù)化造型設(shè)計(jì)3.1.1 轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度 L 確定確定轉(zhuǎn)筒參數(shù)主要包括轉(zhuǎn)筒結(jié)構(gòu)、內(nèi)徑以及長(zhǎng)度，動(dòng)態(tài)旋流器分離液的旋流強(qiáng)弱與其密切相關(guān)。轉(zhuǎn)筒為兩端帶制口的直圓管結(jié)構(gòu)，當(dāng)其高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，D越大，切向速度也大，導(dǎo)致離心力增加，利于分離。L影響輕相介質(zhì)向轉(zhuǎn)筒中心的運(yùn)移效果，L越大，混合介質(zhì)在腔內(nèi)存留時(shí)間越長(zhǎng)，輕相介質(zhì)向轉(zhuǎn)筒中心運(yùn)

41、移越充分。當(dāng)L長(zhǎng)度足夠時(shí)，能保證液流在腔內(nèi)的分離時(shí)間為35s左右。D和L均會(huì)影響動(dòng)態(tài)旋流器處理量16。若液滴在腔內(nèi)的存留時(shí)間為T，則有： （3-1）TLDQ27-109式中：Q 處理量，；/hm3D 轉(zhuǎn)筒內(nèi)徑，mm；L 轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度，mm；T 存留時(shí)間，s。處理量確定時(shí)，液滴的存留時(shí)間取決于轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度。轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度增加，混合液在轉(zhuǎn)筒內(nèi)存留的時(shí)間增加，使油滴有充分的分離時(shí)間，分離效果較好；但若轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度過長(zhǎng)，則導(dǎo)致動(dòng)力損耗加大，振動(dòng)加強(qiáng)，反而影響分離效果16。利用數(shù)值模擬研究了轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度對(duì)分離效率的影響，結(jié)果表明：當(dāng)轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度為2m時(shí)，分離效率最高，如表3-1所示。因此，轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度選取L=2m。表3-1 轉(zhuǎn)簡(jiǎn)長(zhǎng)度

42、對(duì)分離效率的影響轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度/m分離效率%轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度/m分離效率%1.51.888.989.02.02.291.890.8183.1.2 轉(zhuǎn)筒內(nèi)徑轉(zhuǎn)筒內(nèi)徑 D 確定確定長(zhǎng)徑比K是指轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度L與其主直徑D的比值。當(dāng)D確定時(shí)，隨L適當(dāng)增加，混合液在轉(zhuǎn)筒內(nèi)存留的時(shí)間增加，使油滴有充分的分離時(shí)間，分離效果也就愈好。若L過長(zhǎng)，則勢(shì)必導(dǎo)致動(dòng)力損耗加大、振動(dòng)加強(qiáng)，反而影響分離效果。表3-2給出了轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)徑比對(duì)分離效率影響的部分?jǐn)?shù)據(jù)?？紤]到影響設(shè)備分離性能的各種因素，在設(shè)計(jì)時(shí)長(zhǎng)徑比一般應(yīng)在1520間選取。額定處理量確定時(shí)，液滴的存留時(shí)間由L確定。動(dòng)態(tài)水力旋流器的存留時(shí)間一般為38s17。故參考手冊(cè)21，選取轉(zhuǎn)筒內(nèi)徑D

43、=110mm。=18.2 （3-2）DLK 1101023K=18.2符合1520最佳值區(qū)間。將式（3-1）變形可得=5.69s （3-3）QLDT27-10912200011010927-存留時(shí)間T=5.69s在38s內(nèi)，故設(shè)計(jì)合理。表3-2 轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)徑比對(duì)分離效率的影響名稱轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度L（m）轉(zhuǎn)筒內(nèi)經(jīng)D（mm）長(zhǎng)徑比K平均分離效率G（%）H1H2H3H4H51.01.21.52.02.05090909514020131721497.396.598.998.296.6193.2 旋轉(zhuǎn)柵結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)柵結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)設(shè)計(jì)3.2.1 旋轉(zhuǎn)柵葉片數(shù)確定旋轉(zhuǎn)柵葉片數(shù)確定旋轉(zhuǎn)柵位于轉(zhuǎn)筒入口端，若單靠

44、轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁與液流間的摩擦使液流作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則產(chǎn)生的旋流強(qiáng)度未必滿足分離的要求。為使混合液獲得足夠的切向速度，本研究設(shè)計(jì)出了對(duì)進(jìn)入轉(zhuǎn)筒內(nèi)液體起預(yù)加速作用的旋轉(zhuǎn)柵。旋轉(zhuǎn)柵固定于空心驅(qū)動(dòng)軸軸向外端，是實(shí)現(xiàn)油水混合液旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的關(guān)鍵部件。若旋轉(zhuǎn)柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)造成油水混合液中油滴的嚴(yán)重乳化，進(jìn)而降低分離效率?；诶碚摲治龊驮囼?yàn)研究，優(yōu)選出了葉片式和螺旋式兩種結(jié)構(gòu)形式。本文設(shè)計(jì)水力旋流器選用葉片式旋轉(zhuǎn)柵。旋轉(zhuǎn)柵對(duì)進(jìn)入轉(zhuǎn)筒內(nèi)的液體起導(dǎo)流和預(yù)加速作用。葉片式旋轉(zhuǎn)柵通過葉片對(duì)來(lái)液進(jìn)行預(yù)加速，葉片個(gè)數(shù)過少，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)筒內(nèi)流場(chǎng)分布不均；葉片個(gè)數(shù)過多，則使液流的過流面積減小，壓力損失增加及液滴的剪切破碎程度加劇

45、，不利于分離效率的提高。在轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度為2m的條件下，采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同旋轉(zhuǎn)柵葉片數(shù)對(duì)分離效率的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明：隨著葉片數(shù)的增加，分離效率先升高后降低；當(dāng)葉片數(shù)為3時(shí)，分離效率最高，如表3-3所示17。表3-3 旋轉(zhuǎn)柵葉片數(shù)對(duì)分離效率的影響旋轉(zhuǎn)柵片數(shù)分離效率%旋轉(zhuǎn)柵片數(shù)分離效率%2385.992.64591.889.8因此，選擇旋轉(zhuǎn)柵的葉片數(shù)3片，如圖3-1所示。20圖3-1 旋轉(zhuǎn)柵結(jié)構(gòu)圖3.2.2 旋轉(zhuǎn)柵中心孔徑選擇旋轉(zhuǎn)柵中心孔徑選擇旋轉(zhuǎn)柵位于轉(zhuǎn)筒入口處，起導(dǎo)流與預(yù)旋轉(zhuǎn)加速作用，使分離液在旋流腔內(nèi)迅速形成強(qiáng)渦流。三葉片旋轉(zhuǎn)柵，見圖3-1，流量Q，液體流過旋轉(zhuǎn)柵的時(shí)間t，過流面積A。則

46、計(jì)算式16為： （3-4）dDhdDA234422式中：L葉片長(zhǎng)度，mm； d中心軸直徑，mm；h葉片厚度，mm。當(dāng)處理量一定時(shí)，旋轉(zhuǎn)柵中心孔直徑越小，則液體進(jìn)入旋轉(zhuǎn)柵的流速、壓力及流體局部阻力損失也就越大。為避免過大的入口速度波動(dòng)造成局部的阻力損失，一般要求旋轉(zhuǎn)柵中心孔面積應(yīng)稍大于旋轉(zhuǎn)柵各流道面積之和；若旋轉(zhuǎn)柵流道數(shù)越多，液流過流面積就會(huì)減小，也導(dǎo)致液體流動(dòng)平穩(wěn)性較差，壓力損失及液滴的剪切破碎程度也會(huì)增加，將不利于分離16。前面已經(jīng)選取D=110mm，因而試選取d=75mm，h=12mm。帶入式（3-4） ，得： 75 1101223 475411022A=4452 2mm而，旋轉(zhuǎn)柵中心孔面

47、積= 4416 （3-5）孔A42d47522mm式中：旋轉(zhuǎn)柵中心孔面積，?？譇2mm可見，略小于A,符合最優(yōu)設(shè)計(jì)。因而，中心孔徑d=75mm合理?？譇3.2.3 旋轉(zhuǎn)柵葉片長(zhǎng)度確定旋轉(zhuǎn)柵葉片長(zhǎng)度確定旋轉(zhuǎn)柵的作用在于造旋，即使直線流動(dòng)的液體轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的液體。柵片是后21續(xù)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)產(chǎn)生和流場(chǎng)穩(wěn)定的實(shí)物載體，其直線長(zhǎng)度直接影響液體的驅(qū)旋時(shí)間，但并不是柵片越長(zhǎng)越好，柵片太長(zhǎng)，雖然驅(qū)旋作用加強(qiáng)，但其間液流速度提高。高速液流是導(dǎo)致乳化的因素之一，高速運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，液流乳化越嚴(yán)重，因此需對(duì)柵片的直線長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)選設(shè)計(jì)17。若保證液體充分旋轉(zhuǎn)，則液滴在旋轉(zhuǎn)柵內(nèi)必須有足夠的存留時(shí)間，查閱材料13可知，液滴要

48、得到充分旋轉(zhuǎn)，則液滴至少要在旋轉(zhuǎn)柵內(nèi)轉(zhuǎn)3周。則柵片長(zhǎng)度計(jì)算有 （3-6）tL軸式中：液流的軸向速度，m/s；軸 t 液流分子在旋轉(zhuǎn)柵上的加速時(shí)間，s。其中：= （3-7）軸s /mm73.7486060445210129AQs （3-8）12. 014603603nt 將和t帶入式（3-6）中，可得軸mm 8 .890.12748.73L由此可得，柵片長(zhǎng)度至少為89.8mm。在轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度為2m，柵片數(shù)目為3的條件下，取柵片長(zhǎng)度分別為100mm、95mm、90mm、85mm的旋轉(zhuǎn)柵，通過數(shù)值模擬進(jìn)行分離效率對(duì)比研究，結(jié)果表明：當(dāng)葉片長(zhǎng)度為95mm時(shí)，分離效率最高，如表3-4所示17。觀察數(shù)值模擬結(jié)

49、果不難發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)柵葉片長(zhǎng)度為100mm的分離效率與95mm時(shí)很接近，也有很高的分離效率，本文設(shè)計(jì)選用100mm長(zhǎng)葉片。表3-4 旋轉(zhuǎn)柵長(zhǎng)度對(duì)分離效率的影響柵片長(zhǎng)度/mm分離效率%柵片長(zhǎng)度/mm分離效率%1009592.593.8908590.389.8223.3 溢流嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)選溢流嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)選3.3.1 溢流嘴內(nèi)表面設(shè)計(jì)溢流嘴內(nèi)表面設(shè)計(jì)首先建立收油結(jié)構(gòu)的直圓管模型，該結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)單，其入口在流體力學(xué)中稱為Borda孔。假如溢流嘴橫截面積為過流面積，那么嘴壁入口處的流速不可能無(wú)限大。此時(shí)入液口有兩部分液流在此處發(fā)生分離，形成入口的對(duì)稱收縮現(xiàn)象16。為了能夠獲得較好的預(yù)期分離效

50、率，收油內(nèi)表面采用漏斗形錐面，獲得的速度平面為扇形區(qū)域，這可緩解入口收縮現(xiàn)象。根據(jù)分析，當(dāng)漏斗錐角為40時(shí)，收縮現(xiàn)象基本消除，流道暢通，有利于減小尺寸。溢流口有效直徑常取314mm，實(shí)際應(yīng)用中最多不應(yīng)超過12mm，內(nèi)錐面入口直徑約取1018mm。本樣機(jī)溢流嘴內(nèi)表面形狀及參數(shù)見圖3-2，其中溢流口的有效直徑取10mm，內(nèi)錐面入口直徑取18mm。圖3-2 溢流嘴內(nèi)表面形狀示意圖3.3.2 溢流嘴外廓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)溢流嘴外廓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 研究發(fā)現(xiàn)，其外表面同樣有收縮現(xiàn)象，下面介紹解決的設(shè)計(jì)辦法18,19。溢流嘴外表面主要作用是把油水從分界面分開并引導(dǎo)液流平穩(wěn)過渡，避免產(chǎn)生劇烈的旋渦，以致破壞局部的流場(chǎng)穩(wěn)定。研

51、究此問題時(shí)，應(yīng)考慮液流的分離現(xiàn)象。基于該思想，優(yōu)選設(shè)計(jì)得到溢流嘴內(nèi)外表面結(jié)構(gòu)形式，見圖3-3和圖3-4。此方案的外錐面設(shè)計(jì)在穩(wěn)定局部渦流方面較為理想。實(shí)踐表明，其加工方便、經(jīng)濟(jì)合算，室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果很好16。23 圖3-3 溢流嘴外廓結(jié)構(gòu)圖3-4 溢流嘴實(shí)物圖利用流體動(dòng)力學(xué)知識(shí)，也可算出液流離開外錐面后形成的曲線方程。經(jīng)過理論推導(dǎo)計(jì)算，得到它的流線方程為： （3-9）cdxybyarctan對(duì)于的流線，c=0，則有：0y=0， dxybyarctan由此可知，的流線是由x軸與對(duì)稱于x軸的一條曲線構(gòu)成。此曲線為外橢錐體0壁面。在x=0處，y=0；在x=d處，；在處，。該表面輪廓比較符2by

52、xby合收油處的流線形狀?？梢?，溢流嘴設(shè)計(jì)成漏斗形內(nèi)錐面和外橢錐體外表面。是為了減小液流分離時(shí)形成的入口對(duì)稱收縮現(xiàn)象。排油口直徑大小不僅與入液含油濃度有關(guān)，而且會(huì)直接影響處理后油中含水或水中含油的分離指標(biāo)。選取合適的溢流嘴結(jié)構(gòu)形式、確定溢流嘴伸入到轉(zhuǎn)簡(jiǎn)內(nèi)的收油位置、使排油口直徑與腔內(nèi)油核直徑大小相適應(yīng)等問題很值得深入研究，而這又常與操作參數(shù)的控制、來(lái)液含油濃度及裝置的振動(dòng)等有關(guān)。目前解決該24問題的辦法是除了合理選取結(jié)構(gòu)形式外，還需要有效地控制操作參數(shù)，保證排油區(qū)與排水區(qū)間有較高的壓力降差值，以便油相介質(zhì)能夠順利排出。排油口與排水口橫截面面積關(guān)系的設(shè)計(jì)對(duì)分離特性有很重要的影響。該關(guān)系的優(yōu)選設(shè)計(jì)

53、較復(fù)雜，因?yàn)樗粌H涉及入水口含油量、介質(zhì)粘度、油滴粒徑分布、油水密度差、溫度等，而且與操作參數(shù)（如處理量、工作壓力、轉(zhuǎn)速、分流比等）關(guān)系密切。大量試驗(yàn)得到兩者面積比值約為1/51/10。圖3-5中操作條件為流量4.5m3/h，轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)1m，內(nèi)徑為95mm，分流比15，溢流嘴直徑為4.512mm時(shí)，有很好的分離效率，且效率穩(wěn)定性較好，直徑為610mm時(shí)分離效率更好。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時(shí)，對(duì)同一溢流嘴也能有較好的分離效率；但轉(zhuǎn)速低于900r/min或超過2400r/min時(shí)，分離效率均有下降趨勢(shì)16。圖3-5 不同溢流嘴直徑對(duì)分離效率的影響3.3.3 溢流嘴位置溢流嘴位置圖3-6中溢流嘴直徑

54、為6mm，其操作條件及參數(shù)同圖3-5，溢流嘴伸入到轉(zhuǎn)筒內(nèi)的位置選取收油端轉(zhuǎn)筒連接端面為基準(zhǔn)，獲得的分離效率關(guān)系為，這說(shuō)明改變60300溢流嘴位置的布置對(duì)分離效率也有一定的影響。溢流嘴直徑為10mm時(shí)，情況與之相同；因此，溢流嘴的位置應(yīng)在收油端轉(zhuǎn)筒連接端面為基準(zhǔn)的0mm處16。此外，改變溢流嘴位置需綜合考慮操作參數(shù)的調(diào)節(jié)及其它因素（如共振等）的影響。25圖3-6 不同溢流嘴位置對(duì)分離效率的影響3.4 收油錐的設(shè)計(jì)收油錐的設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)水力旋流器排水端收油套結(jié)構(gòu)形式為有收油錐和無(wú)收油錐兩種。有收油錐主要目的是增加收油處流場(chǎng)的穩(wěn)定和溢流嘴位置的靈活布置，以得到較好的分離效果，同時(shí)也可減緩大處理量的液力沖擊

55、，更好地保持低能耗?？紤]支承及密封結(jié)構(gòu)的可靠性與合理性，在排水端常采取漸縮式環(huán)形空間。為使旋流腔內(nèi)的流場(chǎng)不因此結(jié)構(gòu)的變化而產(chǎn)生較大的影響，應(yīng)放置收油錐，且收油錐角不宜太大。對(duì)小型動(dòng)態(tài)旋流器，建議可不用收油錐，因?yàn)橹蓖ㄊ浇Y(jié)構(gòu)可能更利于腔內(nèi)流場(chǎng)的穩(wěn)定16。本文設(shè)計(jì)的旋流器油錐錐角選取9，如圖3-7。圖3-7 收油錐結(jié)構(gòu)示意圖3.5 單旋體需要的功率及電機(jī)的選擇單旋體需要的功率及電機(jī)的選擇本文設(shè)計(jì)的水力旋流器，是通過螺釘固定在轉(zhuǎn)筒上的旋轉(zhuǎn)柵旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)液流旋轉(zhuǎn)，使液流得到足夠的切向速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入轉(zhuǎn)筒內(nèi)的液體起導(dǎo)流和預(yù)加速作用。旋轉(zhuǎn)柵做功來(lái)增加了液流的動(dòng)能，也就相當(dāng)于，在旋流器已經(jīng)工作的時(shí)候，傳遞

56、給單旋體的能量主要用于液流動(dòng)能的增加。由此，我們可以計(jì)算得到單旋體所需要的功率。26假定，液流在進(jìn)入旋轉(zhuǎn)柵時(shí)的初速度=0。則：0- （3-10）3-3-1021101027522244d221dDrQrrP單2120m式中：Q 處理量，kg/s；D 轉(zhuǎn)筒內(nèi)徑，m；d 旋轉(zhuǎn)柵中心孔徑，m；r 選取質(zhì)點(diǎn)距中心的距離，m； 轉(zhuǎn)筒角速度，rad/s； 液流在進(jìn)入旋轉(zhuǎn)柵時(shí)的初速度，m/s；0其中，Q=12 =kg/s=3.33kg/s （3-11）/hm3606010123 rad/s （3-12）8 將Q和等各個(gè)參數(shù)帶入式（1-10） ，則： 3-3-102110102752

57、3-23-24)1075(4)10110()8 .152(33. 3d221rrrP單= 84W 2110275422264175110)8 .152(10833. 321r考慮到液流離開旋轉(zhuǎn)柵，在轉(zhuǎn)筒后段液流微觀分子間的相互作用，外在表現(xiàn)為內(nèi)部摩擦而會(huì)使切向速度有所減小，因此應(yīng)適當(dāng)放大旋轉(zhuǎn)柵的功率。此處取系數(shù)K=1.5，則：W （3-13）126845 . 1PKP單值得注意的是，旋流器工作首先要使轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)，然后才使混合液進(jìn)入旋流腔。而在水力旋流器剛開始啟動(dòng)的時(shí)候，需要很大的功率才能將其帶動(dòng)起來(lái)，這部分主要靠帶輪傳遞的轉(zhuǎn)矩克服旋流體在摩擦副的摩擦阻力矩，主要是在滾動(dòng)軸承處的摩擦。而在啟動(dòng)瞬間

58、，滾動(dòng)軸承處的摩擦認(rèn)為不是滾動(dòng)摩擦，而要比滾動(dòng)摩擦大得多，可以認(rèn)27為是滑動(dòng)摩擦，查表可得，有油的接觸面摩擦系數(shù)為0.0600.10，此處取啟動(dòng)時(shí)摩擦系數(shù)為0.08。則： （3-14）rgmMP單式中： 摩擦副直徑，mm；r摩擦系數(shù)；g重力加速度，取9.7；2s /mkgm單旋體旋轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)筒的質(zhì)量，kg。其中，對(duì)于單旋體部分轉(zhuǎn)筒的質(zhì)量，有 （3-15）Vm式中：鑄鐵的密度，取8000；3kg/m V轉(zhuǎn)筒體的體積，m3。其中，V有 （3-16）222211222211rLrLRLRLV式中：細(xì)轉(zhuǎn)筒段的長(zhǎng)度，m；1L 粗轉(zhuǎn)筒段的長(zhǎng)度，m；2L 細(xì)轉(zhuǎn)筒段的外徑，m；1R 細(xì)轉(zhuǎn)筒段的內(nèi)徑，m；1r 粗

59、轉(zhuǎn)筒段的外徑，m；2R 粗轉(zhuǎn)筒段的內(nèi)徑，m。2r通過已選定轉(zhuǎn)筒可知，=0.75m，=2m，=127mm，=99mm，=140mm，1L2L1R1r2R=110mm，帶入公式（3-16）得2r23-23-23-23-21011022109975. 0210140221012775. 0V再將V，帶入公式（3-15） ，則有28 kg132106501. 180002-Vm再將m帶入公式（3-14） ，可得kW 88. 18 .15212. 07 . 913208. 0rgmMP單上下比較，不難看出：?jiǎn)?dòng)后所需的功率相比于啟動(dòng)時(shí)所需的功率非常小，由此可得，電機(jī)功率選擇應(yīng)該依照啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行選擇。此時(shí)，

60、單旋體所需功率為1.88kW。而本文設(shè)計(jì)的五臺(tái)組合式動(dòng)態(tài)水力旋流器，為了達(dá)到最好的功率傳遞效率，其位置在空間布置如圖3-8。則：kW （3-17）98. 195. 088. 1單三級(jí)PPkW （3-18）1 . 495. 088. 198. 1單三級(jí)二級(jí)PPPkW （3-19）6 .1095. 088. 11 . 422單二級(jí)一級(jí)PPP式中：V帶傳動(dòng)效率，0.920.97，此處取0.95； 第三、第二、第一級(jí)V帶需要傳遞的功率。一級(jí)二級(jí)三級(jí)、PPP圖3-8 五臺(tái)單旋體在空間布置示意圖所以電機(jī)選擇功率應(yīng)稍大于10.6Kw，轉(zhuǎn)速為1460r/min。參考手冊(cè)21中表9.2-6，選擇三相異步電動(dòng)機(jī),