【正文】 線 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 （22）式中：——溢流量，；——處理量。轉(zhuǎn)筒為兩端帶制口的直圓管結(jié)構(gòu)，當其高速旋轉(zhuǎn)時，D越大，切向速度也大，導致離心力增加，利于分離。因此，轉(zhuǎn)筒長度選取L=2m。故參考手冊[21]，選取轉(zhuǎn)筒內(nèi)徑D=110mm。本文設(shè)計水力旋流器選用葉片式旋轉(zhuǎn)柵。當處理量一定時，旋轉(zhuǎn)柵中心孔直徑越小，則液體進入旋轉(zhuǎn)柵的流速、壓力及流體局部阻力損失也就越大。高速液流是導致乳化的因素之一，高速運行時間越長，液流乳化越嚴重，因此需對柵片的直線長度進行優(yōu)選設(shè)計[17]。此時入液口有兩部分液流在此處發(fā)生分離，形成入口的對稱收縮現(xiàn)象[16]。研究此問題時，應(yīng)考慮液流的分離現(xiàn)象。該表面輪廓比較符合收油處的流線形狀。大量試驗得到兩者面積比值約為1/5~1/10?？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。假定，液流在進入旋轉(zhuǎn)柵時的初速度=0。通過已選定轉(zhuǎn)筒可知，=，=2m，=127mm，=99mm，=140mm，=110mm，帶入公式（316）得再將V，帶入公式（315），則有 再將m帶入公式（314），可得kW 上下比較，不難看出：啟動后所需的功率相比于啟動時所需的功率非常小，由此可得，電機功率選擇應(yīng)該依照啟動時進行選擇。則帶速： （321）式中：n——帶輪轉(zhuǎn)速，r/s；將mm，n=1460r/min，帶入式（321），有m/s 圖39 普通V帶選型圖根據(jù)帶輪設(shè)計準則，帶速不宜過高或過低，一般應(yīng)使=5~25m/s，最高不超過30m/s[20]。符合設(shè)計要求。則有： = 因此，選定一級傳動帶的初拉力N。對于一級傳動的主動帶輪，基準直徑=200mm，小于300mm，電機軸直徑為42mm，＞100mm，因此，安裝在電機輸出軸上帶輪采用孔板式，如圖310所示。因此，通常只按工作面上的擠壓應(yīng)力進行強度校核計算。水力旋流器高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)筒，其內(nèi)部液流也隨其旋轉(zhuǎn)，但旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力在截面上相互抵消只作為內(nèi)力，軸承只受負載的重力和帶的初拉力。由作圖設(shè)計，量取近似值m，m，m，則：得：N，N。其中：軸承轉(zhuǎn)速可近似為轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速，即n=1460r/min；軸承基本額定動載荷C根據(jù)選擇的軸承查[22]中表得，C=28900N；指數(shù)根據(jù)軸承類型不同而取值，本文采用的球軸承。查表??；取；從圖紙量取m；本文5臺所傳遞的扭矩T均為單臺旋轉(zhuǎn)所需功率的產(chǎn)生，即5臺所傳遞的扭矩T均相同，且由式（332），得N它可以對相對滑動斷面在流體壓力和補償機構(gòu)的彈力（或磁力）作用下保持貼合并配以輔助密封而達到阻漏的軸封裝置。對動態(tài)水力旋流器的旋轉(zhuǎn)柵進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在已知物性參數(shù)下選取最佳的柵片數(shù)為3，柵片長度為100mm，優(yōu)化旋轉(zhuǎn)柵的中心孔內(nèi)徑為75mm。在論文的完成過程中，楊老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、淵博的學術(shù)知識、務(wù)實創(chuàng)新的工作作風、平易近人的優(yōu)良品德令我尊敬，更為我樹立了做人的典范，使我終生難忘。進行模型驗證，對影響進口流速、顆粒大小和主體尺寸有關(guān)參數(shù)進行了研究，如過大、過小的直徑和錐角。然而，由于廣泛大量的應(yīng)用和對水力旋流器更好的工作要求，設(shè)計水力旋流器使用經(jīng)驗或部分經(jīng)驗方程存在很多局限正變得越來越明顯。在過去的二十年，基于計算流體動力學（CFD）[10]的旋流器分離過程的數(shù)學建模取得了重大進展。對于水力旋流器的分離性能，它是利用拉格朗日模型模擬。因此，一種三階線性準確快速方案用于空間離散化。在稀釋了固體濃度的漿液（粒子濃度低于10%的體重，見[15]），粒度分布的行為可以采用拉格朗日粒子跟蹤方法進行模擬。3 結(jié)果與討論 模型驗證為了開始數(shù)值研究，使用模型驗證已被發(fā)現(xiàn)是必要的。因此，該模型既不能預(yù)測似是而非的壓力和速度場，也不能自動建立一個空心。結(jié)論：LES在不同截面捕獲速度剖面比其他模型更精確。對不同尺寸的沙子粒子進行重復仿真。由離散協(xié)調(diào)，在進口表面粒子的數(shù)目不會超過網(wǎng)格的數(shù)量很大?？紤]到RSM和RNGkε模型的預(yù)測結(jié)果（如圖11），我們可以看出RSM模型比RNG kε模型更精確。換句話說，預(yù)測尺寸分級誤差的實質(zhì)部分缺乏離散相模擬精度，這是因為忽略了粒子與液流、粒子與粒子的相互作用以及湍流對粒子軌跡的影響。圖12也表示在相對較高的進口流量、分離性能會大大降低。那些下面劃線的參數(shù)不同于Hsieh的水力旋流器尺寸。圖13顯示了在旋流壓降與流量。例如，不是預(yù)期的微粒子，RSM模型的結(jié)果比LES更接近實驗數(shù)據(jù)。然而，用LES模型預(yù)測的速度場比RSM更接近實驗結(jié)果。圖10顯示了注入水流的粒子的數(shù)量怎樣改變粒子分離的曲線。換句話說，顆粒與顆粒的相互作用以及顆粒與流體相互作用被忽略，不考慮。誤差百分比用實驗數(shù)據(jù)的百分比，表達是實驗和模擬數(shù)據(jù)之間的差別。LES結(jié)果不對稱并且在空心和壁的邊界附近出人意料地符合實驗數(shù)據(jù)。圖6和7是三種模型預(yù)測軸向和切向速度與實驗數(shù)據(jù)的比較。網(wǎng)格密度1500000、1100000和950000的單元是最理想的，有良好的預(yù)測、在LES，RSM和RNG kε分別有合理的優(yōu)化仿真計算時間。該方法模擬在拉格朗日的參考系中的粒子運動軌跡。Hsieh[14]實驗工作中使用的是75水力旋流器，它的尺寸在表1中。一個成功的模型，特別是基于計算流體力學，將是研究設(shè)計尺寸的一個有用的工具。盡管如此，在半個世紀后才被廣泛地使用。一個典型的水力旋流器有一個圓柱部分，它是一個與一個圓錐形排出管相連的中央管。該報告主要針對識別一個最優(yōu)的方法，用于研究有效參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上，最終有效入口流量變化和主體尺寸等直徑變化下溢、溢流直徑和錐角對分離性能和壓降進行了研究。對5臺動態(tài)水力旋流器單旋體的空間組合方式功率損耗進行了分析計算，選用了最佳的空間布局，確實能達到提高功率傳遞效率的作用。本文中采用的是過度配合面來實現(xiàn)，如圖315和圖316。 密封件的選擇及材料本文設(shè)計的旋流器的密封主要包括兩種，一種是不同轉(zhuǎn)筒段或固定筒段的連接密封，另一種是軸承與液流的隔離密封。這時，螺栓僅受預(yù)緊力作用，而且預(yù)緊力不受工作載荷的影響，在連接承受工作載荷后仍保持不變。按式（333）~（339）求得的當量動載荷僅為一理論值。前面已經(jīng)粗略計算了轉(zhuǎn)筒質(zhì)量為132kg，接下來只要計算液流的重力，如下： （333）式中：——液流密度，； ——轉(zhuǎn)筒中液流的體積。m NV帶繞在帶輪上以后發(fā)生彎曲變形，使V帶工作面的夾角發(fā)生變化。三級傳動的最小初拉力：N （330）因此，選定二級傳動帶的初拉力N，三級傳動N。根據(jù)n=1460r/min，i=1和B型帶，查[20]中表得=0。代入式（323），有mm 考慮到帶輪的制造誤差、帶長誤差、帶的彈性以及因帶的松弛而產(chǎn)生的補充張緊的需要，常給出中心距的變動范圍 （324）計算得：mm，mm。圖38 五臺單旋體在空間布置示意圖，轉(zhuǎn)速為1460r/min。而在啟動瞬間，滾動軸承處的摩擦認為不是滾動摩擦，而要比滾動摩擦大得多，可以認為是滑動摩擦，查表可得，~。如圖37。溢流嘴直徑為10mm時，情況與之相同；因此，溢流嘴的位置應(yīng)在收油端轉(zhuǎn)筒連接端面為基準的0mm處[16]。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、來液含油濃度及裝置的振動等有關(guān)。 圖33 溢流嘴外廓結(jié)構(gòu)圖34 溢流嘴實物圖利用流體動力學知識，也可算出液流離開外錐面后形成的曲線方程。溢流口有效直徑常取3~14mm，實際應(yīng)用中最多不應(yīng)超過12mm，內(nèi)錐面入口直徑約取10~18mm。在轉(zhuǎn)筒長度為2m，柵片數(shù)目為3的條件下，取柵片長度分別為100mm、95mm、90mm、85mm的旋轉(zhuǎn)柵，通過數(shù)值模擬進行分離效率對比研究，結(jié)果表明：當葉片長度為95mm時，分離效率最高，如表34所示[17]。可見，略小于A,符合最優(yōu)設(shè)計。表33 旋轉(zhuǎn)柵葉片數(shù)對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%2345因此，選擇旋轉(zhuǎn)柵的葉片數(shù)3片，如圖31所示。為使混合液獲得足夠的切向速度，本研究設(shè)計出了對進入轉(zhuǎn)筒內(nèi)液體起預(yù)加速作用的旋轉(zhuǎn)柵。表32給出了轉(zhuǎn)筒長徑比對分離效率影響的部分數(shù)據(jù)。若液滴在腔內(nèi)的存留時間為T，則有： （31）式中：Q—— 處理量，；D—— 轉(zhuǎn)筒內(nèi)徑，mm；L—— 轉(zhuǎn)筒長度，mm；T—— 存留時間，s。就本試驗而言，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。如圖211，入口流量在6~12m3/h分離效率逐漸增高； 入口流量10m3/h分離效率隨人口流量的降低而迅速降低；入口流量10 m3/h效率隨人口流量的增加而緩慢增高；人口流量在l0~13 m3/h離效率變化不大。高轉(zhuǎn)速還會使裝置使用壽命及運行可靠性受到限制，增加運行成本[3]?？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，分離效率達到90％以上[3]。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，與動態(tài)水力旋流器比較，需要處理的富油相量更多。（2）操作彈性在高效區(qū)上，動態(tài)水力旋流器可在額定處理量的10％~200％下運行，而靜態(tài)水力旋流器只在額定處理量的40％~100％下運行；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．入口流量減少時其效果下降明顯。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。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，可認為是沒有紊流的渦流場。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。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。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]。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、機械密封及標準緊固件等[4]，主體結(jié)構(gòu)見示意圖21，其實物照片見圖22。（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。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。20世紀80年代后，在全球范圍內(nèi)形成了一個相當大規(guī)模的學術(shù)梯隊，各國都有相當數(shù)量的研究人員致力于旋流分離技術(shù)的研究。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。簡化了工藝，節(jié)約了占地面積，降低了設(shè)備投資成本。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準。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。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。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]。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。（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。將使現(xiàn)有的復雜、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)。從1980年起由BHRA （British Hydromechanics Research Association）英國流體力學研究會發(fā)起的旋流分離器國際學術(shù)研討會已經(jīng)開始定期召開?，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。（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。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軌上，導軌采用高精度導向形式，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。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。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。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。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。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]。而動態(tài)水力旋流器在流量減小時，其分離效率反而提高。（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。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