【正文】 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)。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。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。由于前者沒有運動部件，具有簡單的結(jié)構(gòu)。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。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。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]。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。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。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。（2）在中轉(zhuǎn)站采用預(yù)分離水力旋流器解決中轉(zhuǎn)站就地放水與回摻用水等問題。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。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)。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)。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。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]?，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。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。（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。（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。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。它在較低壓力下便可運行，工作壓力較高時更能運行。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。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)水力旋流器單旋體由轉(zhuǎn)筒、旋轉(zhuǎn)柵、入液及出液支承軸段等組成。 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。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。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。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。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)。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速度不會逐漸遞減，從而內(nèi)部任意半徑處的切向速度均不會受軸向位置的影響．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，因而分離效率更高[14]。因此，動態(tài)旋流器內(nèi)的力場分布更加合理．更利于分離過程的進行[14]。而動態(tài)水力旋流器在流量減小時，其分離效率反而提高。（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。（4）維護性能靜態(tài)水力旋流器沒有運動部件，基本不需要維護工作；動態(tài)水力旋流器設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高、維護工作量大，存在有動平衡和動密封問題，在底流出口附近易產(chǎn)生固體顆粒的聚積而形成污垢。動態(tài)水力旋流器與靜態(tài)水力旋流器相比，具有以下優(yōu)點：（1）動態(tài)水力旋流器的旋流腔借助外部動力產(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）由于動態(tài)水力旋流器不是靠液體自身的運動造旋的，故對來液壓力及流量的要求不嚴(yán)格，有利于現(xiàn)場操作；（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。圖28 原油含水率與分離效率的關(guān)系 介質(zhì)溫度溫度與分離效率之間的關(guān)系如圖29所示。一般認為，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速較高時效率也高，這是因為流量一定時液流加快，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速增高，油水介質(zhì)的徑向壓力差越大，分離也越好。圖210 轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速與分離效率關(guān)系曲線 處理量處理量即單位時間內(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，國際單位m3/h，表示每小時或每天的流量（m3）。實際應(yīng)用要求額定處理量區(qū)越大越好，以利于適應(yīng)現(xiàn)場工況的變化，具有更高的靈活性。確定合理流量區(qū)間為10~13m3/h。分流比與分離效率之間的關(guān)系如圖212。因為當(dāng)人口流量和轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速一定時，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，因此分離效率得到提高[3]。L影響輕相介質(zhì)向轉(zhuǎn)筒中心的運移效果，L越大，混合介質(zhì)在腔內(nèi)存留時間越長，輕相介質(zhì)向轉(zhuǎn)筒中心運移越充分。處理量確定時，液滴的存留時間取決于轉(zhuǎn)筒長度。表31 轉(zhuǎn)簡長度對分離效率的影響轉(zhuǎn)筒長度/m分離效率%轉(zhuǎn)筒長度/m分離效率% 轉(zhuǎn)筒內(nèi)徑D確定長徑比K是指轉(zhuǎn)筒長度L與其主直徑D的比值?？紤]到影響設(shè)備分離性能的各種因素，在設(shè)計時長徑比一般應(yīng)在15~20間選取。= （32）K=~20最佳值區(qū)間。旋轉(zhuǎn)柵固定于空心驅(qū)動軸軸向外端，是實現(xiàn)油水混合液旋轉(zhuǎn)流動的關(guān)鍵部件。旋轉(zhuǎn)柵對進入轉(zhuǎn)筒內(nèi)的液體起導(dǎo)流和預(yù)加速作用。圖31 旋轉(zhuǎn)柵結(jié)構(gòu)圖 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)迅速形成強渦流。為避免過大的入口速度波動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，液流過流面積就會減小，也導(dǎo)致液體流動平穩(wěn)性較差，壓力損失及液滴的剪切破碎程度也會增加，將不利于分離[16]。因而，中心孔徑d=75mm合理。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間，查閱材料[13]可知，液滴要得到充分旋轉(zhuǎn)，則液滴至少要在旋轉(zhuǎn)柵內(nèi)轉(zhuǎn)3周。觀察數(shù)值模擬結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)柵葉片長度為100mm的分離效率與95mm時很接近，也有很高的分離效率，本文設(shè)計選用100mm長葉片。為了能夠獲得較好的預(yù)期分離效率，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。本樣機溢流嘴內(nèi)表面形狀及參數(shù)見圖32，其中溢流口的有效直徑取10mm，內(nèi)錐面入口直徑取18mm。基于該思想，優(yōu)選設(shè)計得到溢流嘴內(nèi)外表面結(jié)構(gòu)形式，見圖33和圖34。經(jīng)過理論推導(dǎo)計算，得到它的流線方程為： （39）對于的流線，c=0，則有：y=0， 由此可知，的流線是由x軸與對稱于x軸的一條曲線構(gòu)成?？梢姡缌髯煸O(shè)計成漏斗形內(nèi)錐面和外橢錐體外表面。目前解決該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。轉(zhuǎn)筒長1m，內(nèi)徑為95mm，分流比15％，~12mm時，有很好的分離效率，且效率穩(wěn)定性較好，直徑為6~10mm時分離效率更好。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。為使旋流腔內(nèi)的流場不因此結(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。圖37 收油錐結(jié)構(gòu)示意圖 單旋體需要的功率及電機的選擇本文設(shè)計的水力旋流器，是通過螺釘固定在轉(zhuǎn)筒上的旋轉(zhuǎn)柵旋轉(zhuǎn)，推動液流旋轉(zhuǎn)，使液流得到足夠的切向速度，從而實現(xiàn)對進入轉(zhuǎn)筒內(nèi)的液體起導(dǎo)流和預(yù)加速作用。則： （310）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)點距中心的距離，m；—— 轉(zhuǎn)筒角速度，rad/s；—— 液流在進入旋轉(zhuǎn)柵時的初速度，m/s；其中，Q=12 =kg/s=（311） rad/s （312）將Q和等各個參數(shù)帶入式（110），則： == 84W 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。則： （314）式中：——摩擦副直徑，mm；——摩擦系數(shù)；g——重力加速度，；m——單旋體旋轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)筒的質(zhì)量，kg。此時。參考手冊[21]，選擇三相異步電動機,型號Y160M4，額定功率11kW，額定轉(zhuǎn)速1460 r/min。顯然，以上選取符合設(shè)計要求。（4）驗算包角為了保證帶傳動的工作能力，需要驗算小帶輪的包角。（5）確定帶的根數(shù) （325）式中：——包角修正系數(shù)； ——V帶的基準(zhǔn)長度系數(shù)； ——單根普通V帶額定功率的增量，kW。查表得，；，帶入式（325），于是 取3根。 二級和三級傳動V帶傳動設(shè)計及計算為方便加工及良好互換性，二級和三級傳動也采用B型V帶，傳動比i=1，故而二級和三級帶輪的基準(zhǔn)直徑也均相同，mm；中心距也與一級傳動相同，mm；帶長mm。 帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)輪輻結(jié)構(gòu)的不同，V帶輪可以分為實心式、腹板式、孔板式、橢圓輪輻式。對于，基準(zhǔn)直徑=200mm，小于300mm，配合轉(zhuǎn)筒的軸徑為140mm，顯然=200≤=350mm，因此，采用實心式，如圖311。為了使V帶的工作面與帶輪的輪槽工作面緊密貼合，將V帶輪輪槽的工作面的夾角做成小于40176。假定載荷在鍵的工作面上均勻分布，普通平鍵連接的強度條件[20]： （331）式中：T——傳遞的轉(zhuǎn)矩，N/m； k——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=，此處h為鍵的高度，mm； l——鍵的工作長度，mm，圓頭平鍵l=Lb；b為鍵的寬度，mm； d——軸的直徑，mm； ——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的擠壓應(yīng)力，MPa；其中：對于轉(zhuǎn)矩計算有 （332）式中：P——傳遞的功率，kW；N——轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)速，r/min。m 本設(shè)計中，三級傳動中最弱材料均為鑄鐵（帶輪材料），在輕微沖擊條件下，查表可得鍵連接許用擠壓應(yīng)力=55 MPa；將計算的轉(zhuǎn)矩分別帶到式（331）中，有一級傳動選用圓頭平鍵10860，則擠壓應(yīng)力，MPa 二級傳動選用圓頭平鍵10822，則擠壓應(yīng)力MPa 三級傳動選用圓頭平鍵10822，則擠壓應(yīng)力MPa 由此可見，所有鍵均滿足擠壓強度要求。帶的初拉力作用在各個轉(zhuǎn)筒的方向，如圖312所示，可以很明顯發(fā)現(xiàn)，3號單旋體的轉(zhuǎn)筒受帶的初拉力最大。其中，轉(zhuǎn)筒中液流的體積，即為轉(zhuǎn)筒內(nèi)孔的總體積，則有 （334） m3 此處將液流密度近似為水的密度，即。 （337）式中：——左側(cè)軸承水平方向所受的徑向載荷，N；——右側(cè)軸承水平方向所受的徑向載荷，N。實際上在軸承中還會出現(xiàn)一些附加載荷，如沖擊力、不平衡作用力、慣性力以及軸撓曲或軸承座變形產(chǎn)生附加力等等，這些因素很難從理論上精確計算[20]。由式（342），計算可得h 按照每天工作24小時，每年300工作日，可得，年，完全能夠滿足使用。預(yù)緊力的大小根據(jù)結(jié)合面不產(chǎn)生滑移的條件確定。m 其中，一臺單旋體所需要的功率，由前面公式計算知道kW,轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速n=1460r/min，將其帶入（341）變形式，有N （342）取預(yù)緊力N。前者，密封件相對接觸副是相對靜止的，因此只要選擇一般的、密封效果較好的密封件即可，此處選用O形密封圈，它是一種壓縮性密封圈，同時又具有自封能力，密封性不受運動方向的影響，成本低廉，使用方便。機械密封有多種結(jié)構(gòu)形式，本文采用單彈簧式機械密封，如圖314。圖315