一种高效节能型轴流式搅拌桨的研究和设计.pdf

第 2 7卷第 1 1 期 2 0 0 6年 1 1 月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e r y V0 1 ． 2 7 No ． 1 l NO V ． 2 0 06 文章编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 6 1 1 - 0 0 2 3 ． 0 4 一 种高效节能型轴流式搅拌桨 的研 究和设计 * 王平玲 ．沈 惠平 ．张锁龙 江苏工业学院 江苏省油气井 口设备工程技术研究 中心 ，江苏 常州 2 1 3 0 1 6 摘要根据轴流式搅拌的轴流性能好、 低剪切量、 低 能耗及低成本的要求， 设计 了一种具有 扭 弯叶 片的新 型轴流 式搅 拌 桨 J H一2型 。介 绍 了 J H一2型轴流 式搅 拌 桨叶 面 曲面 的设计 、 桨叶 根 部 弯曲应 力的校核 、 功耗 实验 以及制 造方 面的 内容 。 关键词轴流式搅拌桨；强度计算 ；功率 中图号 T Q o 5 1 文献标 志码 A Re s e a r c h a n d De s i g n o f Hi g h e ffi c i e n t a n d En e r g y s a v i n g Ax i a l flo w S t i r r e r W ANG I nngl i n g． SI- I EN Hui ping- ZHANG Su ol o ng J i a n g s u P r o v i n c e O i l g a s We l l E q u i p m e n t E n g i n e e ri n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h C e n e ， J i a n g s u P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y ， c l l a I l h 0 I l 2 1 3 0 1 6 ， C h i n a Ab s t r a c t Op t i mi z e d a x i a l flo w s t i r r e r wi t h g o o d axi a l fl o w p r o p e r t y a n d l o we n e r g y c o n s u mi n g p mlr t y i s d e s i g n e d．P r e s e n t s t h e d e s i gn ，m a n u f a c t u r e ，i n t e n s i t y c a l c u l a t i o n a n d p o w e r c o n s u min g e x p e r i me n t o f J H一2 ax i al flo w s t i r r e r ． Ke y wo r d s a x i al f l o w s t i r r e r ； i n t e n s i t y c a l c u l a t i o n； p o we r O 引言 国外对搅拌桨操作性能的研究及新型搅拌器的 开发工 作 起 步于 2 0世 纪 8 0年代 初 ， 出现 了一 系列 高性能的轴向翼形桨， 研究情况也较为透彻和全面， *中国石油化工股份有限公司科 技开发项 目 N o X 5 040 0 5 均已进人大规模应用阶段。国内对轴流桨的研究起 步于2 0世纪 8 0 年代后期。在新型桨结构开发的同 时 如 C B Y桨、 L A桨、 M T桨、 J H桨等 ， 也十分注重 对其流场特征 、 动力学特性、 泵送 能力 、 循环时间分 布等基础性研究和探讨 ， 为轴流桨的设计和应用提 供有益 参考 。 r r _ { ] 一 厂 _ J I } _ _厂 ． 1 5 4 ‘ 勰 l 4 ． 6 7 7 3 4 ‘ 黜 ． o 8 7 4 2 4 H D e l t a 图 6 D e l t a取样柱状图 Fi g． 6 Hi s t o g r a m o f De ／ t a 缸体的可靠度 RP{ S | s 一 } -P{ |s 一|s 一 0 } -P{ D d t a0 } ， 这可由概率设计结果直接读 出， R9 6 ． 6 ％ ， 这说 明该缸体取壁厚为 1 0 to n i 是合理 的。如果认为可靠度太小 ， 可根据各参变量对可靠 度的灵敏度， 适当调整其数值进行修正。 5结语 1 通过工程实例分析， 介绍了机械产品可靠性 设计的一般分析方法 ， 其结果对机械零件 的安全性 具有重要意义。该种油缸在 3 a的使用过程 中， 除 正常的维护保养外 ， 没 出现过质量事故。若用传统 方法设计该油缸， 其安全系数 n1 ． 0 6 ， 小于 1 ． 2 2 ． 5 ， 通常认为该设计是不安全的，只有增加壁厚 ， 这样就 造成 了材 料 的浪费 ， 给 现场 检 测工 人 带 来不 便 。 2 利用 A N S Y S软件的 P D S模块， 并编制 A P D L 命令流对油缸缸体进行可靠性设计 ， 大大提高了设 计效率。通过修改相关参数， 可将这种方法应用于 相同类型的油缸缸体设计， 具有一定的普遍意义。 参考文献 [ 1 】 朱 文予 ． 机械概 率设计与模糊设 计[ M】 ． 北京 高等教 育 出版 社 ， 2 0 01 ． [ 2 ] 博弈创作室 ． A N S Y S 9 ． 0经典产品高级分析技术 与实例详解 [ M] ． 北京 中国水利水 电出版社． [ 3 ] 刘鸿 文． 材料力学[ M] ． 上册 ． 北京 高等教育 出版社 ． 2 0 0 1 ． 作者 简介冯桢 1 9 7 3一 。 山东 泰安人 ． 硕 士研究生 ， 主要研 究 方向 计 算机 辅助 设计 与 辅助 制造 ， T e l 0 5 3 28 6 0 5 7 2 0 7 ， Em a i l f e n g z h e n 2 0 0 4 1 2 6． t o m． 收稿 日期 2 0 0 6 ． 0 7 ． 1 4 2 3 维普资讯 V o 1 ． 2 7 N o ． 1 1 一种高效节能型轴流式搅拌桨的研究和设计王平玲 ， 等 第 2 7卷第 1 1 期 根据搅拌工艺对轴流式搅拌桨的传质效率 、 功 耗、 混合效果等的要求 ， 参考国内外已有的轴流式搅 拌桨型的特点 ， 本 文研究设计 了一种扭弯叶片轴流 式搅拌器 简称 J H一2型 ， 该桨型设 计时考虑了桨 叶背 面的曲面形状对流场 的影响， 保证流体在桨 叶 片背面不产生旋涡脱离现象 ， 适用于中低粘度介质 的液 一液、 液 一固反应及传热、 搅拌工艺。 1 搅 拌桨 叶片 设计 搅拌桨通过传动轴的转动与流体直接接触 ， 并 将能量传递给流体， 从而形成合适的流场。因此 ， 叶 片的． 曲面形状 及 叶 片的几何 尺寸参 数对形 成合理 的 流场 、 降低搅 拌 功 率效 果 起 着关 键 的 作 用 。其 曲面 设 计 的理论依 据 如下 1 新型高效轴流式桨应具有良好的轴流性能， 即轴向分速度较大、 传送距离远， 且沿半径方向速度 分布均匀、 速度梯度小 ， 整个釜内流动状态最终能形 成 如 图 1 所示 的流 动状 态。 2 新型高效轴流式搅拌桨应具有 良好 的节能 性能 ， 即 低 扭 矩 、 低 阻 力 。从 而 使 得 功 耗 减 少 。 为 此， 要求桨叶随半径增大其叶片倾角减小的同时 ， 叶 片宽度也逐渐减小 。 3 考 虑 桨叶背 面 曲面形状 对流场 的影 响 ， 叶 片 外 凸 的拱 应是 一个 曲面 ， 这样 ， 可减低 了桨 叶尾部 的 流体脱附， 从而可以降低能耗。 在考虑上述搅拌桨叶流体运动学 、 动力学性能 的基础上 ， 综合分析了国内外轴流式搅拌器的桨叶 结构及形式 ， 创新设计 出了桨的叶片结构 一J H一2 型轴流式搅拌 器，它是一种空间扭 曲板材 型桨叶 ， 桨径 比小 于 0 ． 5 ， 导 边 与桨 梢 和 轴 心 的 连线 夹 角 小 于 l 0 。 ， 迎液导 边光 滑 ， 从 叶 片端 部看 ， 它是 由许 多相 似的拱组成， 与所处半径有关， 且具有合理的叶片倾 角、 拱度及叶片宽度 ， 设计时考虑了桨叶背面的曲面 形状对流场的影响 ， 减低了桨叶尾部的流体脱附， 大 大降低了能耗。 T 一 O ＼ 一 ／ 图 1 轴流式桨的理想流动状态 F i g． 1 I d e a lflo w o f aa l -flo w s t i r r e r 2桨叶强 度校核 桨叶的强度与桨叶的厚度有很大关系， 厚度越 大 ， 强度越大 ， 但桨叶的重量增加 ， 容易出现气蚀现 24 象。反之 ， 则桨叶的可靠性不高。桨叶上危险截面 的选择不同， 力的计算方法不 同， 得 出的结果 也不 同。J H一2型轴 流式搅拌桨形状复杂 ， 在轮毂处叶 片根部为危险断面， 其叶片横断面形状 一叶 型图如 图 2所示。为了计算 桨叶的拉伸及其弯曲应力 ， 必 须先求得各断面的面积、 重心坐标 、 惯性矩 、 抗弯截 面模量等截面的几何特性 。由于叶片的形状复杂 ， 用解析法计算的工作量太大， 这里采用一种近似 的． 方法 一图解 分析法 。 图 2 J H一2型 轴 流式 搅拌 桨的 肿型 图 F i g． 2 L a mi n a o f J H一2 a x i a l fl o w s t i r r e r 图 2中， 在叶片宽度 方 向上 n等分 ， 一般取 n1 0 3 0 ， 叶型宽度为 c ， 则每个 f 小段的宽度 h 三 。这样 把 叶 型分 成 小 段 曲 边 梯 形 。 由材 料 力 学 知， 简单图形 如矩形 等的截面几何 特性较易计算。 图形分为足够多的等分 时， 每一小段曲边梯形即可 看作矩形 ； 其宽度取 该段 中线 的长度， 即 B 一6 。 B 、 6 分别为第 i 段叶型中线的外轮廓和内轮廓的 纵 坐标 。 叶片跟部最大弯曲应力计算公式 ㈤ 了 应满足 ≤[ ] 。 式中 [ ] 桨叶材料的弯曲应力 ， [ ] ； O “ b 桨 叶材 料抗 拉强度 ， MP a ； n 安全系数 ； 叶 片厚 度 ， m m； c 叶型宽度， m m； ． 对 。 轴的弯矩， M， 9 _ 5 4 5 N i I n Sl n 7 二 口 、 ． 对 Y 。 轴的弯矩， 9 5 4 5 N j - I ／ 7 , COS 8 二 口 。 叶片数 目， 即 。 3 ； n 转 速 ， r ／ s ； Ⅳ 桨叶强度计算 中用的计算功率 ， k W； 维普资讯 第2 7 卷第 1 1 期 一种高效节能型轴流式搅拌桨的研究和设 二二 笠 a 桨 叶与轮 毂 的夹 角 。 平行 于 原坐标 轴 的 D y 。 的惯性矩 h 3 耋 8 3, 一 川一 9 平行 于 原坐标 轴 的 O K 。 轴 的惯性 矩 。 号 ∑8 3, 一 ∑6 一 y eS ， 1 0 而整 个 叶型 的真实 面积 Ah ∑ B 一b i 1 1 整个 叶型断 面对 Y轴 的静 矩 s ， ∑B i 一 ∑6 一 譬 1 2 整个 叶 型断 面对 轴 的静 矩 s 鲁 ∑ 一 ∑6 1 3 已知 J H一2型桨叶的基本参数 叶型宽度 C 2 4 m m， 叶片厚度 3 m m。 为 了计算简便取 1 2 ， 即 h2 mm 。 搅拌桨叶的安装位置如图3 所示， 4 块挡板 均匀分 布。 轮毂 高 s 2 2 mm， 轮毂外 径 D，3 0 m m， 轮毂内径 2 0 m m， 叶梢宽 日1 7 ． 5 m m， 桨叶直 径 D ； 1 4 0 mm， 室温 t9 0 o C， 桨叶 材料不锈钢的抗拉强度 口 4 5 0 MP a ， 根据材质不 同、 制造工艺不同， 安全系数值参照文献 [ 6 】 ， 取 3 ． 5 。 在标 准搅拌实验 台上， 以清水为搅拌介质， 在层流区域 内， 当转速 n1 5 ． 6 r ／ s 时， 由式 6 计算 得 口 1 0 5 MP a 。 。 则 [ 盯 ] 1 5 0 MP a ， 显然 [ ] ， 所 以桨 叶是 安全 的 。 委 殳 图 3 J H一2型轴 流 式 桨 安 装 位 置 F i g ． 3 J H 一2 a x i a l fl o w s t i r r e r l o c a t i o n 3功耗 实验 在搅拌釜设计 中， 叶轮功率消耗的大小是釜内 液体搅拌程度和运动状态 的度量 ， 同时又是搅拌器 强度计算和电机功率选择 的依据 ， 因而搅拌功率的 设计计算就成为搅拌釜设计计算的重要一环。搅拌 功率的大小取决于所期 望的流型和滞动程度 ， 具体 地说 ， 搅拌功率是叶轮形状 、 大小和转速 、 液体性质 、 搅拌釜 的尺寸 和 内部 附件 以及 叶轮在 釜 内的位置 的 函数 。 按照图 3所示的桨叶安装位置分别对 J H一2型 轴流式搅拌桨和同直径的三折叶桨进行功率对 比实 验， 实验分别以清水 和质量分数 1 ． 5 ％的羧 甲基纤 维素水溶液 简称 C MC 为搅拌介质。以雷诺 数 为横坐标 ， 以功率准数 Ⅳ p为纵坐标 ， 在双对数坐标 轴上， 绘制 Ⅳ p 的双对数功率准数分布 图。由 图4可知 1 层流区域内， 2种 桨型大致 相同； 2 过渡流区域内， 当 5 6 4 9时 ， J H型轴流式搅拌桨 Ⅳ p 0 ． 3 6 ， 三 折 叶桨 Ⅳ p0 ． 8 1 ； 3 完 全 湍 流 区 域 内， 当 R e2 9 6 1 2时， J H型 轴流 式搅 拌 桨 Ⅳ p 0 ． 1 4 ， 三折 叶桨 Ⅳ p0 ． 4 1 。综 合考虑其 他因素影 响， 不难得到结论 J H一2型轴流式搅拌桨至少可节 约 2 0 ％ ． 3 0 ％的功率 。 ／ r e 图 4 J H一 2型轴流式桨与三折叶桨的 Ⅳ p 图 F i g ． 4 rpR e o f J H一2 a x i a l fl o w s g l r r c r a n d t h r e eb l a de i mp e l l e r 4制造与检 测 J H一2型轴流式搅 拌桨制造方便 ， 桨叶用胎具 压制或按曲率半径大小卷制成圆筒进行切割， 保证 相同桨叶的曲率半径一致 ； 桨叶周边均匀切割， 以保 证桨叶宽度公差。桨叶制造后 ， 可采用螺栓联接或 者焊接的方法将 叶片固定于轮毂或搅拌轴上 ， 叶片 的数量由工艺决定 ， 但 至少 是 3片； 可制成单 层桨 叶， 也可制成多层桨 叶， 以适应 长径 比较 大的搅 拌 釜； 叶片也可搪瓷。总之， J H一 2型轴流式搅拌桨易 于大型化， 为工业放大奠定了坚实 的基础。 为了使搅拌器在搅拌作业时平衡可靠 ， 搅拌桨 叶的布置必须具有对称性、 均匀性。因此组成搅拌 器的桨叶， 应具有相同的形状和质量 ； 组对 、 组焊时 要采用专用的工装及严格 的焊接方法 ， 来控制搅拌 器的焊接变形 ； 加工时同样要利用工装 ， 以中心为定 位基准 ， 保证各部位加工余量对称均匀 ； 搅拌器制成 后一般要做静平衡试验， 达到随意平衡为合格。 5结语 2 5 维普资讯 第 2 7卷第 1 1 期 2 0 0 6年 1 1 月 煤矿机械 C o a l Mi n e Ma c h i n e V0 1 ． 2 7 N o ． 1 l N O V．20 0 6 文章编号 1 0 0 3 079 4 2 0 0 6 1 1 - 0 0 2 6 - 0 3 矿井提升机 1 3阶段速度图计算方法 林天钱 。刘利平 。尹静涛 1 ． 河北能源职业技术学院 ，河北 唐 山 0 6 3 0 0 4 ；2 ． 河北理工大学 ，河北 唐 山 0 6 3 0 0 9 摘 要 结合开滦钱 家营矿主井提升机实际的运行情况， 对矿井主井提升机 l 3阶段速度 图进 行 分析 与计算 。给 出了矿 井提 升机 l 3阶段 速度 图的计 算 方法 ， 为矿 井提 升机 速度 图的计 算提 供 了 理 论 依 据 。 关键 词 提 升机 ；速度 图；计 算 方法 中图号 T D 5 3 4 文献标 志码 A Ca l c u l a t i o n M e t h o d s o f 1 3 S t a g e S p e e d Di a g r a ms o f M a i n W e l l Ho i s t e r o f M i n e LI N T i a nq i a n 。 L I U Li p i n 2 。 Y I N J i n gt a o 1 ． H e b e i E n e r g y I n s t i t u t e o f V o c a ti o n a n d T ecl m o l o 。 I l 铲 I 姗 O 6 3 0 0 4 。 C , l fi n a ； 2 ． H e b e i P o l y t e c h n i c U n i v e r s i ty 。 髓I l 铲 I 姗 0 6 3 0 0 9 。 C h i n a A b s t r a c t A c c o r d i n g t o t h e a c t u a l o p e r a t i n g c o n d i t i o n s o f t h e m a i n w e l l h o i s t e r of K a i l u a n Q i a n j i a y i n g m i n e 。 c a r r i e s o u t t h e a n a l y s i s a n d c a l c u l a t i o n t o t h e 1 3 s t a g e s p e e d d i a g r a ms o f t h e ma i n we l l h o i s t e r O f mi n e．I n t ro． d u c e s t h e c alc u l a t i o n me t l l o d s o f 1 3 s t age s p e e d d i a g r a ms o f t h e ma i n we l l h o i s t e r o f mi n e． an d p r o v i d e s t h e t h e o r e t i c al b a s i s f o r t l l e c alc u l a t i o n o f s p e e d d i a g r a m o f h o i s t e r ． Ke y wo r d s h o i s t e r ；s p e e d d i ag r a m ；c alc u l a t i o n me t l l o d 1 l 3段提升 机速 度图 的提 出 钱家营矿 主井提升机初始设计时 。 由于该矿主 井提升机载重量大 一次提升 3 2 ． 5 t ， 速度快 1 5 s ， 频率高 3 5次， h ， 考虑到箕斗运行 中， 对罐道、 井 架及提升设备本身的冲击、 振动， 将会带来严重的安 全隐患。为优化提升机速度图运行性能 ， 提 出以 7 阶段速度图为主体 ， 考虑在匀加 减 速段与等速度 之间采用抛物线过渡 ， 并考虑具有缓冲功能的爬行 段 的 l 3 段 速度 图。采 用该速 度 图后 ， 加速 度从 匀加 速度值沿直线降至零 ， 平稳地进入等速度段运行， 避 免出现尖峰功率 ， 大大减轻 了设备运行 中对电网的 冲击。又由于增加了爬行阶段 ， 钱家营矿主井提升 1 根据高效轴流式搅拌桨的叶片设计理论， 设 计了 J H一2型高效节能轴流式搅拌桨 ； 通过对桨 叶 根部截面特性的分析， 校核了桨叶根部 的弯曲应力 ， 证明了桨叶具有足够的强度。 2 通 过功率实验 ， 验证 了在相 同的操作条件 下 ， J H一2型搅拌桨比同尺寸的三折叶搅拌桨至少 可节约 2 0 ％ 一3 0 ％的功率。 3 J H一2型轴流式搅拌 器的制造方 便、 成本 低， 易于大型化 ， 既可 以在新投产 的搅拌装 置上使 用 ， 也适用于现有搅拌装置在技术改造 中推广使用。 参考文献 [ 1 ] 胡长 鹰 ．轴 流式 生 化 搅拌 器 的研 制 [ J ] ． 食 品 与机 械。 2 o 0 1 。 8 5 5 0 3 3 3 4 ． 2 6 机容器 箕斗 近井 口至卸载位置 1 5 ． 9 m处 ， 以 2 n d S 的速度进入爬行阶段运行 ， 这样 可以减轻对 机械 和电气设备的冲击振动 ， 保证准确停车 ； 另一方面， 当发生过卷时， 容器撞击过卷开关后 ， 可以保证过卷 距离不超过 2 m， 避免过卷事故进 一步扩大。缺点 是速度图比较复杂 ， 电气 控制及操作相对复杂化。 这种速度图优点突出， 缺点可以通过电控技术克服 ， 因此该矿实际运行中采用这种速度图， 如图 1 所示。 2 l 3段提升机运行速度图分析与计算 如图 1 所示 ， 设初加速度为 a 。 ； 主加速度为 a 。 ； 主减速度为 a ； 抱闸停车段减速度为 a ； 最大提升 速度为 ； 休止时间为 0 ； U O E p 为初加速段终 了的速 、 - }● f● 、 、 爿 爿 爿 爿 、 i、 爿 爿 爿 爿 、 、 爿 爿、 ． [ 2 ] 靳兆文 ． 潘家祯 ． 新型搅拌桨 研究 进展E J ] ． 化工装备技 术。 2 0 0 4 。 2 5 4 1 0 1 3 ． [ 3 ] 华依青 ． 搅拌器在化工单元设备中的选用 [ J ] ． 化工设计 ． 2 0 0 4。 1 4 6 l 0 一l 3 ． [ 4 ] 张锁龙 。 沈惠平 ． 张国忠 ．J H型轴 流搅拌桨 流场分析及设 计[ J ] ． 化学工程， 1 9 9 9． 2 7 5 2 6 2 9 ． [ 5 ] 沈惠平 。 张锁龙 ， 张国忠。 等 ．一种新 型轴流式搅拌器 的研究与开 发[ J ] ． 中国机械工程 。 2 0 O 0 。 1 1 5 5 0 2 5 0 4 ． [ 6 ] 王凯 ， 虞军 ． 搅拌设备 [ M] ． 北京 化学工业 出版社 。 2 0 0 3 ． 作者简介 王平玲 1 9 8 2一 。 女 。 辽 宁盘锦人 ． 江 苏工业 学院化 工过程 机 械 专 业 硕 士 研究 生。 专 业方 向 流体 机械 。 T e l 0 5 1 9 3 9 0 3 1 1 5。 Ema l l w p l 一 1 9 8 2 1 6 3 ． c o rn． 收稿 日期 2 0 0 6 ． 0 7 ． 1 3 维普资讯