【正文】 的重力。圖312 5臺單旋體轉(zhuǎn)筒所受帶的拉力示意圖圖313 3號單旋體轉(zhuǎn)筒受力圖顯而易見，右側(cè)軸承所受徑向力大于左側(cè)軸承，所受徑向力,有： （338）N 對于只承受純徑向載荷的軸承，可得當量動載荷P計算式[20]： （339）所以有，N。作為普通螺栓連接，螺栓還受到橫向載荷，由于預緊力作用，將在接合面間產(chǎn)生摩擦力來抵抗工作載荷。其中，危險截面面積可從設計手冊中查表[22]直接得到，則MPa ，安全系數(shù)S查表取S=5，則有 （344）MPa 顯然，＜，說明螺栓的抗拉強度安全。圖314 單彈簧式機械密封結(jié)構(gòu)示意圖 部分結(jié)構(gòu)說明對于本文設計的水力旋流器，要求轉(zhuǎn)筒有較好的同軸度要求，并且收油桿要保證在轉(zhuǎn)筒中心，所以本結(jié)構(gòu)要采用結(jié)構(gòu)來保證同軸度。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。三種模式的湍流，RNG kε模型、雷諾應力模型和用多相模型的流體模型體積（VOF）來比較模擬空氣中心的大渦模擬，以預測軸向和切向速度的分布。這個流行的原因在于設計和操作簡單，具有產(chǎn)量高、低維護和操作成本。圖1 傳統(tǒng)水力旋流器的原理圖第一個水力旋流器專利是Bretney[1]發(fā)表的。這歸功于計算機的迅速發(fā)展和對湍流的數(shù)值處理的更好了解。2 模型描述 描述及水力旋流器的幾何仿真Hsieh[14]的實驗結(jié)果是驗證速度分布、確認和研究分離效果和研究主體尺寸的基礎情況。）下溢口直徑（mm）進流比（kg/s）75752550252020實現(xiàn)旋流器中的粒子分離，采用離散相模型（DPM）技術。配水的研究表明，更高的網(wǎng)格密度會得到更好的預測。選擇這些位置給出概括性描述的預測。圖5 在60mm處截面預測切向速度剖面與實驗值的比較圖6 在120mm處截面預測切向速度剖面與實驗值的比較圖7 在175mm處截面預測切向速度剖面與實驗值的比較圖8 預測空芯的形狀，a是在RNG kε湍流模型（a=），b是在RSM湍流模型（a=），c是在LES湍流模型（a=）LES計算追蹤的軸向和切向速度比其他兩個湍流模型更加接近（真實值）。由于出口接觸空氣，壓降就等于進口壓力。由于進給液中固體顆粒的體積百分比少于5%，固相、水相沒有必要動量耦合。每一次運轉(zhuǎn)被重復5次，提取平均值。LES和RSM模型的預測尺寸分級的對比表明兩種方法預測尺寸分級幾乎相同。所以，來自連續(xù)和離散相模擬的分離效率的結(jié)果表明沒有提高精度。因此，不能將出現(xiàn)粒子分離。數(shù)值模擬驗證了以前的部分。這是由于下溢噴嘴在高進口流量下抖動。假如忽視渦流在顆粒運動軌跡的直接影響并用隨機模型替換，LES模型的基本優(yōu)勢就會被忽略了。這是由于RNGkε模型沒有考慮空芯。因此，我們認為1500個粒子的數(shù)目等于網(wǎng)格數(shù)。這些數(shù)據(jù)隨后被用于產(chǎn)生旋流器分配曲線。表2顯示了實驗的壓降值與三個模型預測數(shù)值的比較。在以上討論基礎上，RNGkε模型分析結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)不相吻合。在實驗[14]中，測量了在不同的位置的速度分布圖。因此，在目前的研究中，使用上述方法執(zhí)行粒子跟蹤。簡單的算法用于耦合的連續(xù)性和動量方程。根據(jù)仿真，對溢底直徑和錐角對分離性能和壓降的影響進行了研究。在一個廣泛的設計和操作條件下，CFD提供了一種速度剖面預測。此外，模型試驗會消耗太多的時間，需要很大代價。預測結(jié)果表明，不同大小和長度的旋流器中旋流場不同，并有不同的處理量。在此謹向他表示深深的敬意，并對他為學生所付出的大量心血表示衷心地感謝。結(jié)構(gòu)優(yōu)化了動態(tài)水力旋流器的溢流嘴，選取最優(yōu)的有效直徑為10mm，并優(yōu)化溢流嘴的外輪廓，采用外橢錐體壁面。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。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）取預緊力N。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。 （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。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。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。對于，基準直徑=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。 二級和三級傳動V帶傳動設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直徑也均相同，mm；中心距也與一級傳動相同，mm；帶長mm。（5）確定帶的根數(shù) （325）式中：——包角修正系數(shù)； ——V帶的基準長度系數(shù)； ——單根普通V帶額定功率的增量，kW。顯然，以上選取符合設計要求。此時。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，因此應適當放大旋轉(zhuǎn)柵的功率。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，應放置收油錐，且收油錐角不宜太大。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?？梢姡缌髯煸O計成漏斗形內(nèi)錐面和外橢錐體外表面?；谠撍枷?，優(yōu)選設計得到溢流嘴內(nèi)外表面結(jié)構(gòu)形式，見圖33和圖34。為了能夠獲得較好的預期分離效率，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。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。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]。旋轉(zhuǎn)柵對進入轉(zhuǎn)筒內(nèi)的液體起導流和預加速作用。= （32）K=~20最佳值區(qū)間。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。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。分流比與分離效率之間的關系如圖212。實際應用要求額定處理量區(qū)越大越好，以利于適應現(xiàn)場工況的變化，具有更高的靈活性。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。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。（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。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]。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)。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)水力旋流器稍復雜，但它在分離效率及處理效果、處理量及壓力變化的適應性，油田產(chǎn)出液的處理等方面有相當?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。密封結(jié)構(gòu)的合理設計既可保證密封性能、降低功率消耗，又能提高設備使用周期。它在較低壓力下便可運行，工作壓力較高時更能運行。（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。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、配套技術研究等，取得了一定的進展。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域的最新研究成果進行交流[2]。水力旋流器的應用包括固液分離、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)。隨著產(chǎn)出液含水率的不斷提高，此項應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。以水力旋流器為核心的旋流分離技術及其配套工藝技術研究的應用前景將十分廣闊，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。同時，水力旋流器新工藝及配套技術研究工作將使水力旋流器在現(xiàn)場應用中能揚長避短，發(fā)揮更好的應用效果。設備緊湊、占地面積小和設備成本低等諸多優(yōu)點，因而受到了廣泛的關注和研究。由于前者沒有運動部件，具有簡單的結(jié)構(gòu)。雖然水力旋流器的一些缺點使得其應用受到一定的限制，但它具有許多其他分離設備所不具有的特點，以致使它成為許多領域較為理想的分離設備。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)中相關的關鍵技術（如水處理技術等）要適應需要，開發(fā)出成本低、效率高、使用壽命長的新技術、新工藝及新產(chǎn)品。（4）在井下分離方面，采用預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備。首先在選礦和采礦工業(yè)中獲得應用，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，其應用領域仍在不斷擴展，近年已被越來越多地應用到生物工程的分離作業(yè)中，甚至還被應用到電解過程中。（2）配套技術工藝研究現(xiàn)狀水力旋流分離技術正處在不斷發(fā)展和完善的進程之中，其在現(xiàn)場實際中的應用對這項技術的發(fā)展起到了積極的推動作用。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分離新技術的研究，如旋流分離、氣浮選、膜分離等。（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。由此可見動態(tài)水力旋流器結(jié)構(gòu)雖然有些復雜，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。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)。保證旋轉(zhuǎn)柵加工精度，此時導流對中性增強、過流充分、流動阻力降低，使預旋轉(zhuǎn)的旋流強度增加，提高了樣機的分離性能[10]。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。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。從對比分析來看：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?。欢鴦討B(tài)旋流器則恰巧相反其有效分離區(qū)遠大于靜態(tài)旋流器。在處理量加大時，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，動態(tài)水力旋流器能適應入口含油量變化較大的情況，實驗證實，當入口含油從330mg/L上升到660mg/L時，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。它一方面使旋流分離技術提高到一個新的水平，另一方面為旋流技術的發(fā)展提供了新的思路。 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系如圖210所示。因此，任何一臺水力旋流器都有一個合理的處理量范圍，即額定處理量區(qū)。圖211 入口流量與分離效率之間的關系曲