【正文】 V帶傳動5臺組合式動態(tài)水力旋流器結(jié)構(gòu)設(shè)計第1章 緒論離心力場的創(chuàng)立和運用是科學(xué)和技術(shù)的成就之一，運用離心力場進行非均相物系的分離是行之有效的方法。離心分離設(shè)備按有無旋轉(zhuǎn)部件可以分為旋轉(zhuǎn)分離設(shè)備和機身旋轉(zhuǎn)的離心分離設(shè)備。前者如水力旋流器（亦稱旋流分離器），流體固定的機身內(nèi)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生離心力場；后者如各種離心機，由于機身旋轉(zhuǎn)而帶動內(nèi)部流體作回旋運動而產(chǎn)生離心力場。由于前者沒有運動部件，具有簡單的結(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，因而受到了廣泛的關(guān)注和研究。 本課題研究的意義及現(xiàn)狀 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，一方面進行原油的靜態(tài)旋流脫水需要建立更強的離心力場，另一方面也明顯增加了阻力損失。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，故實現(xiàn)原油旋流脫水凈化較有可能的技術(shù)方案是采用動態(tài)旋流分離技術(shù)。動態(tài)水力旋流器由電機驅(qū)動旋流筒作高速旋轉(zhuǎn)，介質(zhì)進入旋流筒后，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)離心力場的強度，滿足不同的分離質(zhì)量要求。因此，動態(tài)旋流分離設(shè)備的工作適應(yīng)性很強，如果變速機構(gòu)允許，甚至可以實現(xiàn)一物多用即一臺設(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]。盡管動態(tài)水力旋流器在試驗研究階段已顯示出優(yōu)越的分離性能。但至今尚未達到工業(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)試驗工況與現(xiàn)場實際工況差別較大。雖然水力旋流器的一些缺點使得其應(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，以致使它成為許多領(lǐng)域較為理想的分離設(shè)備。同時，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)場應(yīng)用中能揚長避短，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而擴展到兩種不互溶液體介質(zhì)的液液分離以及氣液分離、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。近年來的油田生產(chǎn)實際表明，油田開發(fā)必須走“以經(jīng)濟效益為中心”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，可代替一級脫水與一級沉降。中轉(zhuǎn)站來液經(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。簡化了工藝，節(jié)約了占地面積，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，同時減少了運行費用。（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，直接在井下對產(chǎn)出液進行處理，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，此項應(yīng)用必將迅速得到推廣，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。（5）將污水處理用水力旋流器制成移動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，對節(jié)約能源及環(huán)境保護都具有積極的意義。本文重點針對上述問題進行研究，對動態(tài)水力旋流器進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過本文的研究優(yōu)選出具有實際應(yīng)用價值的動態(tài)水力旋流器的成功研制必將加速動態(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)過渡為簡潔、小型、高效的裝置化、連續(xù)密閉操作系統(tǒng)，簡化了油田地面處理工藝系統(tǒng)。 課題研究現(xiàn)狀（1）旋流分離技術(shù)的國內(nèi)外研究概況旋轉(zhuǎn)流分離是離心力場在分離科技方面的重要應(yīng)用之一。水力旋流器（如圖11）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離分級設(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)域仍在不斷擴展，近年已被越來越多地應(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、固相顆粒分級與增濃，以及兩種非互溶液體的分離等多種過程作業(yè)。圖11 水力旋流器使用實物圖水力旋流器的基本工作原理和基礎(chǔ)設(shè)計的提出已經(jīng)有一百多年了，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，同時也吸引了越來越多的科學(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)形成了一個相當(dāng)大規(guī)模的學(xué)術(shù)梯隊，各國都有相當(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）英國流體力學(xué)研究會發(fā)起的旋流分離器國際學(xué)術(shù)研討會已經(jīng)開始定期召開。國內(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結(jié)構(gòu)和數(shù)值模擬，旋轉(zhuǎn)流浮選分離與分級過程行為與特性等方面進行了深入的研究。在現(xiàn)代測試技術(shù)和計算機與模擬技術(shù)飛速發(fā)展的今天，人們對旋流分離的工作機理及過程行為有了更加深刻的認(rèn)識，大大推動了水力旋流器結(jié)構(gòu)模式的多樣化，使其在越來越多的應(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)展和完善的進程之中，其在現(xiàn)場實際中的應(yīng)用對這項技術(shù)的發(fā)展起到了積極的推動作用。從1980年起，國際上相繼召開了6次水力旋流器的專題會議，對世界各地在旋流分離領(lǐng)域的最新研究成果進行交流[2]。但是，可以看到對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)場試驗研究的探索。在國內(nèi)，液液旋流分離技術(shù)在上世紀(jì)90年代初期才引入我國。在研究方面，多集中在室內(nèi)的機理研究工作和新結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)選方面?，F(xiàn)場實際應(yīng)用的水力旋流配套工藝設(shè)備基本上是從國外單位引進。國內(nèi)部分單位的實際應(yīng)用表明，引進的技術(shù)存在成本高而且不能很好適應(yīng)國內(nèi)油田實際工況等缺點，因此，國內(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，在實際應(yīng)用上具有處理效率低等問題。為此，國內(nèi)許多生產(chǎn)單位和研究機構(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。通過幾年來與現(xiàn)場生產(chǎn)實際的緊密結(jié)合，正逐步開展增壓方式研究、配套技術(shù)研究等，取得了一定的進展。同時，這方面研究還很是不足，有待進一步深入研究。 本文研究的主要內(nèi)容（1）對動態(tài)水力旋流器分離機理的理論分析；分析了動態(tài)水力旋流器的工作原理，分析了動態(tài)水力旋流器內(nèi)液滴的受力及運動行為，以及操作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和介質(zhì)物性參數(shù)等因素對動態(tài)水力旋流器分離性能的影響。（2）對動態(tài)水力旋流器的轉(zhuǎn)筒進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選取轉(zhuǎn)筒長度和內(nèi)徑，得到最佳長徑比。（3）對動態(tài)水力旋流器的旋轉(zhuǎn)柵進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選取最佳的柵片數(shù)和柵片長度，優(yōu)化旋轉(zhuǎn)柵的中心孔內(nèi)徑以及分流面。（4）對動態(tài)水力旋流器的溢流嘴進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選取最優(yōu)的有效直徑，并對溢流嘴的外輪廓進行優(yōu)化。（5）對動態(tài)水力旋流器的收油錐進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選擇最佳的收油錐錐角。（6）對動態(tài)水力旋流器的支架、固定筒進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達到最佳的裝配精度。（7）對動態(tài)水力旋流器的功率損耗進行分析計算，對5臺單旋體選用最佳的空間組合方式。第2章 動態(tài)水力旋流器的分離機理 動態(tài)水力旋流器的主體結(jié)構(gòu)動態(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、V帶、帶輪、底座、支架、軸承、機械密封等，輔助構(gòu)件主要包括底座、支架、軸承、機械密封及標(biāo)準(zhǔn)緊固件等[4]，主體結(jié)構(gòu)見示意圖21，其實物照片見圖22。為了使主體結(jié)構(gòu)有良好的對中性，設(shè)計時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)試驗的精度。1入液腔,2機械密封組件,3軸承,4傳動輪,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電機圖21 水力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖圖22 水力旋流器實物照片從動態(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、大小錐段及長長的尾管。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數(shù)、旋流腔主直徑及長度、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]；動態(tài)水力旋流器沿轉(zhuǎn)筒長度方向為主要分離區(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)是由外部動力（電機）驅(qū)動完成的，因此其分離效率的獲得是靠犧牲外部動力損失（能量的轉(zhuǎn)化）實現(xiàn)的。它在較低壓力下便可運行，工作壓力較高時更能運行。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，即運行；時必須有足夠的入口壓力保持來液高速旋轉(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完成的，其壓力損失相對比較大[6]。動態(tài)水力旋流器轉(zhuǎn)筒高速旋轉(zhuǎn)時在旋流腔內(nèi)形成使液體離心分離的渦流。因此，轉(zhuǎn)筒運行是否平穩(wěn)極大地影響動態(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)時會產(chǎn)生較大的偏心力，并引起激烈的振動，將嚴(yán)重影響油滴向轉(zhuǎn)筒中心運移，使油核發(fā)生較大的變形，甚至無法產(chǎn)生油核。各支承座孔間的同軸度也會影響轉(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、動平衡測試，才能保證其運轉(zhuǎn)較為平穩(wěn)。密封結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計既可保證密封性能、降低功率消耗，又能提高設(shè)備使用周期。動態(tài)水力旋流器屬十動力設(shè)備，裝置自振以及與地基共振對分離效率的影響不可忽視。這需要改善傳動結(jié)構(gòu)[8]，提高制造精度及改進底座形式，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?、出口管線以減少壓力損失[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、動平衡測試，保證轉(zhuǎn)筒高速旋轉(zhuǎn)時所必需的回轉(zhuǎn)精度，減少設(shè)備自振。保證旋轉(zhuǎn)柵加工精度，此時導(dǎo)流對中性增強、過流充分、流動阻力降低，使預(yù)旋轉(zhuǎn)的旋流強度增加，提高了樣機的分離性能[10]。 動態(tài)水力旋流器工作原理動態(tài)水力旋流器是利用兩種不互溶液體介質(zhì)問的密度差進行離心分離。待分離的油水混合液由入液口進入旋流器，液流流過旋轉(zhuǎn)柵流道和尾部導(dǎo)向錐，旋轉(zhuǎn)柵對來入液起導(dǎo)流及預(yù)旋轉(zhuǎn)加速作用。混合液流在轉(zhuǎn)動外殼的帶動下，產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)運動，邊壁的液流與轉(zhuǎn)筒殼體內(nèi)壁間的摩擦阻力作用產(chǎn)生一個渦速度場分布，重質(zhì)水相受離心力作用運移到邊壁處[23]，同時在軸向力的作用下由底流出口排出，油滴則向中心運動，形成一個相對穩(wěn)定的油核，最終經(jīng)溢流嘴及收油桿組件排出，最終實現(xiàn)油水分離，如示意圖23[11]。圖23 水力旋流器工作原理圖從宏觀上來，油水混合液由動態(tài)水力旋流器的入液口進入，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)柵，液體由直線形運動變成在旋流體內(nèi)邊旋轉(zhuǎn)邊沿軸心向下的運動。這樣油和水在旋流體內(nèi)發(fā)生分離，同時在軸向力的作用下，油核沿軸心向下運動，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)的軸向流動是近似平行[12]。動態(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)筒長度方向上的切向速度與軸向速度基本恒定，流場穩(wěn)定性較好，可以認(rèn)為是沒有紊流的渦流場[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，盡管動態(tài)水力旋流器在結(jié)構(gòu)及操作運行上要比靜態(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，油田產(chǎn)出液的處理等方面有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，因此有必要加以深入開發(fā)研究。 動態(tài)水力旋流器與靜態(tài)水力旋流器的比較分析 技術(shù)原理比較兩者都是利用水力旋流離心作用實現(xiàn)不同相之間的分離，但離心力場的建立方法有所不同：靜態(tài)水力旋流器是由壓能轉(zhuǎn)化成動能來形成離心力場，而動態(tài)水力旋流器是外加電能帶動旋轉(zhuǎn)筒所形成的。動態(tài)水力旋流器內(nèi)部僅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，流場穩(wěn)定性好，可認(rèn)為是沒有紊流的渦流場。而靜態(tài)水力旋流器在旋流腔及大錐段均有紊流存在，一方面會引起液滴的破碎，另一方面阻礙油滴向中心運動，降低了分離效率。從內(nèi)部流場來看。切向速度決定了處理液所受離心力的大小。圖24是靜態(tài)水力旋流器與動態(tài)水力旋流器切向速度場的比較。動態(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為界分為兩個渦流區(qū)，外部為自由渦，內(nèi)部為強制渦，是一種組合渦的結(jié)構(gòu)。這一點與靜態(tài)旋流器相似。其不同在于動態(tài)水力旋流器的最大切向速度峰值更高。即渦流場的強度更強；強制渦區(qū)域加大；邊界切向速度不為零。另外，由于外殼旋轉(zhuǎn)，沿動態(tài)水力旋流器軸線方向上，器壁附近液體的切向