针轮转子沉降离心机的设计

来源： 2007年02月03日 11:22

高根树，
    用一种新型的针轮转子取代传统的滚筒转子来启动离心场进行物相分离，通过对颗粒磨损动量的合理布局可充分解决磨损问题，在结构简化、能耗降低的同时，地完成多相分离。这是一项新型、经济的沉降离心机技术。
1 转鼓沉降离心机存在问题
    转鼓沉降离心机特别是碟式离心机的分离效率是很高的，但同时也存在一些问题。首先，转鼓笨重，对动平衡要求*，维持转鼓旋转消耗的能量很大，转鼓启动时间更长达半小时；其次，是自轴心喂浆形成的动密封问题；其三，转鼓液流层出现波浪影响转鼓的动平衡，设备噪声增大，寿命缩短；其四，转鼓是外旋转子，从技术上限制了离心机的卸料方式并与高速旋转转鼓形成冲突；其五，转鼓磨损问题突出，必须采用材料。
    可见诸多的问题皆出于转鼓，因此改变转鼓启旋是离心机技术进步的关键。
2 轴流式沉降离心机的分离效率
    在一个轴对称强度为ω的强制涡旋场内，颗粒自ri 以外的断面以一定的速度进入旋流场，在离心力的作用下通过一定的轴向距离，这个过程中有的颗粒可以到达强制涡旋场外部边界ra，有的则不能。
    离心机对同等粒径重相颗粒的分级分离效率hT为高根树
hT=1－[exp（－ l2k/nz ）] r2a －r2i exp（l 2k/nz）/ r 2a －r2（1）
k =——（rK－rA ）n2d2 2?29h （2）
式中 l——离心腔强制涡旋场的某一轴向延伸长度，m；
nz——离心腔内液流的轴向流速，m/s；
d ——球形重相颗粒的直径，m；
ri——重相颗粒进入离心场的截面zui小半径, m；
ra ——强制涡旋场的某一设定范围，m；
n——转子转速，r/s；
rK ——重相颗粒物密度，kg/m3；
rA ——液相密度，kg/m3；
h ——液体的动力黏度系数，kg/（m·s）。
    从式（1）、式（2）可以看出，离心机转子转速越大、离心腔延伸长度越大、腔内液流的轴向速度越小、重相颗粒直径和密度越大、重相颗粒进入离心腔的位置半径越大，分级分离效率就越高。
    对设计有重要指导意义的一个简单推论是只要颗粒进入离心腔的位置半径足够大，在一定经济的路径上，离心机就可以达到100 % 的分级效率。
3 针轮转子沉降离心机的结构
    针轮转子沉降离心机包括传动装置、针轮转子、壳体、锥形离心筒、水动力分离器、卸料出浆组件等
零部件，如图1 所示。

    在壳体与离心筒之间有预分离区，离心筒上部进浆孔环周分布，大部分大颗粒物可以提前在低速区域分离沉降。
    内旋转子针轮可以由U字形线材环周挂苗均匀密集的排列组合在轮毂上组成，见图2。
    水动力分离器为锥形，壁上有孔，或采用局部覆盖滤料。

4 针轮转子沉降离心机的设计原理
4.1 针轮启旋与强制涡旋场的形成
4.1.1 针轮的动平衡
    针轮针苗密度大，启旋能力强。其针苗末端自由，在轮毂一端为铰支座约束，故而在环向能够随受力摆动和变形，在轴向也可以有适当的转动和变形。针轮在转动中能够自我调整动平衡。动平衡等级高，可以适应转速在1000 r/min以上的转动。
4.1.2 针轮的启动阻力
    针轮针苗的能量传递方式以剪切为主，针苗排列层之间有间隙，采用局部分部启动。针苗在径向可以通过摆动、弯曲来化解启动阻力沿径向增大的影响。
4.1.3 针轮发动涡旋场的有效性
    涡旋场内有针苗，故湍流广泛存在，湍流分离有效性的影响，实际上可归结到涡旋场内针苗对颗粒运动或目标物相移动的影响。针苗的径向延伸，并不妨碍物相的径向运动，显然这一点是有利于分离的。针苗轴向分层迭置，形成一定的轴向阻力，但并非不能穿透。
针苗形成的湍流与针苗的相对尺寸、形状有关，也与其相对目标物相的速度有关。只要截面尺寸相对于旋流场的尺寸足够小，湍流的程度就会削弱，对有效分离的影响就可以忽略。
针苗与浆液的相对速度在不同位置可能有所不同，但是，如果把初入离心腔的浆液加速安置在针轮外周的自由涡旋区内，则强制涡旋区内的针苗与浆液的相对速度就几乎可以达到零，从而消除湍流的影响。
4.1.4 针轮的极限尺寸
    断面为圆形，直径为d，自r0延伸至ra的针苗，以强度w旋转，其应力集中发生在r0 处，为拉应力。该
zui大拉应力s max 的大小为
s max=2?2rn2（r2a－r20）（3）
式中 r——针苗材料容重，N/m3；
n——转速，r/min。
从式（3）看，针苗极限尺寸与转速的关系zui大，与延伸长度（ra－r0）的关系次之。
4.2 进浆的初始位置
    针轮转子沉降离心机可选择多种进料位置，这要依据主要分离对象而定。
如果分离的重点对象是重相颗粒，针轮转子沉降离心机就可以自周边进料，侧重于轻相的向心运动。这时，重相颗粒进入强制涡旋场的初始位置ri大于出口半径ra，在理论上意味着离心机只要分离因数大到可以平衡向心流的惯量，就可以分离任意大小的颗粒。这是针轮转子降离心机比转鼓离心机或碟式离心机具有更巨大的分离潜力的理论基础。
    如果分离的重点对象是轻相颗粒，针轮转子沉降离心机就可以自小于转子半径的位置进料，侧重于重相的离心运动。
4.3 磨损动量分布
    在预分离区域，在水力惯性的作用下，大部分大颗粒物不能穿过与其惯性方向钝角相交的进浆孔，从而提前在低速区域分离沉降，能够穿过孔进入离心腔的颗粒都是比较细小的颗粒。料浆从离心腔zui大半径
的位置进入转子与离心腔之间的间隙区域。结果是，越大的固体颗粒物越倾向于在间隙区域内低速旋转，
其磨损动量不大，离心腔的磨损问题得到显著改善。
4.4 水动力分离
    水动力分离器有规律地沿柱面或锥面分配出浆，其壁孔方向与微细颗粒的离心动量钝角相交，不适宜
通过颗粒。
4.5 加速沉降
    离心筒为锥形，颗粒在壁面上获得一个比重力大得多的离心力分量，帮助颗粒物加速向料斗移动。这
与碟式离心机碟片的作用相同。
5 针轮转子沉降离心机的特点
（1）分离效率高，低转速运转时可以作为除砂器使用，高速运转时具有超越碟式离心机的分离性能；
（2）可以无压自流进浆，省去泥沙泵；
（3）产品启动时间短，稳定性强，噪声比转鼓离心机低得多；
（4）轻便，安装要求低，可以船载、车载远程作业，有望应用在海洋油轮泄漏事故中用来消除海洋污染，同时可经济地回收资源；
（5）结构可调整的余地很大，可以根据不同的工况和安装要求设计出多种形式。
6 结论
    针轮转子沉降离心机采用了*的内旋针轮转子，有效地优化了边界条件的轴对称性，削弱了向心湍流对颗粒离心的扰动，缩短了颗粒沉降的路径和时间，耦合了水动力分离、过滤技术，在理论和实践上都有着的技术与经济价值。

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