專利名稱：高效節(jié)能旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是在選礦、選煤、鉆井等領(lǐng)域中用于分級(jí)、脫泥、濃縮、除塵等作業(yè)上的旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械。
目前國(guó)內(nèi)外普遍使用的水力旋流器(


圖1)，它是由入料管(1)、溢流管(2)、旋流室(3)、園錐體(4)、沉砂管(5)組成，入料管(1)設(shè)在旋流室(3)的筒部邊緣并和筒壁相切；溢流管(2)設(shè)在旋流室(3)的頂部；園錐體(4)設(shè)在旋流室(3)的下部；園錐體(4)的底部接沉砂管(5)。除入料管(1)外，整個(gè)旋流器是以Z－Z軸為中心的迥轉(zhuǎn)體。流體從入料管(1)以速度V1沿旋流室(3)的筒壁的切線方向進(jìn)入旋流室(3)后，由于離心力和重力的作用，流體將向下作螺旋運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到園錐體(4)時(shí)，由于錐壁的作用流體還要作向心運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)半徑越來(lái)越小，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到沉砂管(5)后，一部分流體從沉砂管(5)排出，剩余部分在流體內(nèi)部壓力的作用下會(huì)自下而上的作螺旋運(yùn)動(dòng)，從溢流管(2)排出。因此，旋流器穩(wěn)定工作時(shí)，其內(nèi)部有“下降流”、“上升流”兩股流體。旋流器內(nèi)任意一點(diǎn)處流體的速度V都可以分解為切向速度Vt和鉛垂速度VZ、徑向速度Vr(圖2)，并且V2＝V2t＋V2r＋V2Z(1)旋流器穩(wěn)定工作時(shí)，作用于流體上所有外力對(duì)中心軸之力矩和為零，否則流體將作加速或減速旋流運(yùn)動(dòng)。在旋流器內(nèi)半徑為r處任取一正六面微園體(圖3)，其徑向截面積為ds、厚度為dr、內(nèi)側(cè)面上正壓力為P、切應(yīng)力為τ、外側(cè)面上正壓力為P＋dq、切應(yīng)力為τ＋dτ，應(yīng)用動(dòng)量矩定理得
(τ＋dτ)·dS·(r＋dr)－τ·dS·r＝0(2)略去高階微量dτ·dr，積分得Inr＋I(xiàn)nτ＝C1即r·τ＝C2(3)其中C1－積分常數(shù)；C2－常數(shù)。
將入口處的邊界條件r＝r1、τ＝τ1(r1－旋流室半徑；τ1－旋流室內(nèi)壁與流體之間的切應(yīng)力)代入得C2＝r1·τ1(4)所以r·τ＝r1·τ1(5)用牛頓摩擦力公式τ＝－μ (dvt)/(ar) (μ－流體的粘性系數(shù))代入上式得r·(－μ (dvt)/(dr) )＝r1τ1dVt＝－μ 1/(μ) r1·τ1(dr)/(r) (6)積分得Vt＝－ 1/(μ) r1·τ1Inr＋C3(7)C3－積分常數(shù)。用入料口處的邊界條件r＝r1、Vt＝Vt1＝V1(Vt1－入料口處流體的切向速度)，代入上式得C3＝V1＋ (r1τ1)/(μ) Inr1所以Vt＝V1＋ (r1τ1)/(μ) In (r1)/(r) (8)由上式得出，旋流器內(nèi)流體的切向速度Vt隨r減小而增大。
在旋流室內(nèi)任取半徑為r，高為h(r＞溢流管、沉砂管的半徑)的園柱形假想筒體，其側(cè)表面積S＝2πrh。使旋流器內(nèi)所有流體均需經(jīng)過(guò)表面積S進(jìn)入假想筒體。然后再?gòu)囊缌鞴芎统辽肮芘懦?。設(shè)旋流器通過(guò)的流量為Q，則流體的徑向平均速度Vr＝ (Q)/(S) ＝ (Q)/(2πrh) (9)Vr和r成反比，其方向指向中心軸。
旋流器穩(wěn)定工作時(shí)，筒壁邊緣的外層流體為“下降流”，內(nèi)層為“上升流”，兩股流之間必然有一鉛垂速度VZ＝0的分界面(
圖1z截面處VZ所示)。如設(shè)向下的VZ為正值。則VZ隨r的減小而減小，分界層處VZ＝0。分界層內(nèi)VZ為負(fù)值，分界層為一迥轉(zhuǎn)曲面(
圖1的ABC迥轉(zhuǎn)面)。
設(shè)有一直徑為d、密度為ρS、與中心軸之距離為r的園球形固體物料。設(shè)介質(zhì)流體的密度為ρ，ρS＞ρ。固體物料的切向速度V′t＝Vt－VtC＝V1＋ (r1τ1)/(μ) In (r1)/(r) VtC(10)VtC－物料與介質(zhì)流體的切向相對(duì)速度。
固體物料所受的慣性離心力為(圖4所示)F＝ (πρSd3)/6 1/(r) V′t2＝ (πρSd3)/6 1/(r) (Vt－VtC)2(11)根據(jù)流體力學(xué)的阻力公式，物料所受的向心推力(即主動(dòng)阻力)為R1＝φρd2VrC2(12)φ－介質(zhì)流體對(duì)物料的阻力系數(shù)；VrC－物料與介質(zhì)流體在徑向的相對(duì)速度。
當(dāng)R1＜F時(shí)，物料處于“下降流”層，最后從沉砂管中排出；當(dāng)R1＞F時(shí)，物料作向心運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)半徑越來(lái)越小，當(dāng)進(jìn)入“上升流”層時(shí)，就隨上升流從溢流管中排出；當(dāng)R1＝F時(shí)，物料徑向受力平衡，物料將處在特定的半徑上作旋流運(yùn)動(dòng)，此時(shí)物料的徑向速度V′r＝0，物料與介質(zhì)流體的徑向相對(duì)速度為VrC＝Vr＝ (Q)/(2πrh) (13)對(duì)于雷諾系數(shù)Re＜1，d＜0.5mm的小顆粒物料，應(yīng)用斯托克斯阻力公式，即R1＝3πμdVrC(14)由R1＝F得3πμdVrC＝ (πρSd3)/6 · 1/(r) (Vt－VtC)2用(7)、(13)式代入得d=3v1+r1τ1μInr1r-vtoμQπρSh----(15)]]>當(dāng)流體性質(zhì)一定、旋流器穩(wěn)定工作時(shí)，V1、r1、τ1、μ、VtC、ρS、Q、h基本不變，可視為常數(shù)，d是r的函數(shù)，由(15)式得，大顆粒物料分布在r較大的地方，只有小顆粒和低密度的物料才有可能進(jìn)入r較小的“中心區(qū)”。r越小的地方，物料的粒度就越細(xì)，比重就越輕。q為物料在介質(zhì)中的重力加速度，G為物料在介質(zhì)中的重力。則G＝ (πd3)/6 (ρS－ρ)q (16)介質(zhì)流體對(duì)物料在鉛垂方向向上的阻力為R2＝φρd2VZC2(17)
當(dāng)物料剛從入料口水平地進(jìn)入旋流室時(shí)，物料和介質(zhì)流體的下降速度相等，此時(shí)VZC＝0、R2＝0。由于ρS＞ρ，G將使物料加速沉降，使VZC＞0、R2＞0，當(dāng)R2＝G時(shí)，物料在鉛垂方向受力平衡，此時(shí)物料的沉降速度最大。
V′zmax＝VZ＋V0(18)V0－物料在靜止介質(zhì)流體中自由沉降時(shí)的終速。當(dāng)d、ρS較大時(shí)，物料下降到園錐體(4)處，由于R1＜F，物料將緊貼錐壁運(yùn)動(dòng)，此時(shí)F可分解為正壓力F1和平行于錐面母線向上的分力F2(圖5所示)，F(xiàn)1＝FCosα＝ (πρSd3)/6 · 1/(r) (Vt－VtC)2Cosα＝ (πρSd3)/6 · 1/(r) (V1＋ (r1τ1)/(μ) In (r1)/(r) －VtC)2Cosα (19)F2＝Fsinα＝ (πρSd3)/6 · 1/(r) (V1＋ (r1τ1)/(μ) In (r1)/(r) －VtC)sinα(20)α－園錐體(4)的半錐角。
F2－阻礙物料沉降，增加物料的沉降時(shí)間。實(shí)踐證明，旋流器的磨損量為 △W＝KVCF1(21)K－比例系數(shù)；VC－物料對(duì)筒壁的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。如果略去物料的徑向速度Vr、鉛垂速度VZ不計(jì)，則VC＝V′t，所以△W＝KV′tF1＝K (πρSd3)/6 · 1/(r) (V1＋ (r1τ1)/(μ) In (r1)/(r) －VtC)3Cosα (22)由上式可看出，r越小，磨損量越大，所以旋流器的園錐體下部，特別是沉砂管部位磨損非常快。當(dāng)ρS或d較小時(shí)，由于R1＞F，物料首先向下作向心旋流運(yùn)動(dòng)，r不斷減小，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到分界層時(shí)，VZ＝0，但物料仍具有一定的沉降速度，只有運(yùn)動(dòng)到“分界層”以內(nèi)時(shí)，介質(zhì)流體開始具有一定的上升速度并不斷增大，使VzC增大，R2也增大，當(dāng)R2＞G時(shí)，物料逐漸由沉降運(yùn)動(dòng)變?yōu)樯仙\(yùn)動(dòng)，最后從溢流管排出。可見(jiàn)，進(jìn)入溢流管的物料在旋流器中都必須經(jīng)過(guò)從沉降向心旋流到向心旋流上升的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，因此進(jìn)溢流管的物料必須克服慣性離心力和重力的雙重作用的運(yùn)動(dòng)，這必定消耗更多的能量，由以上分析可得出，現(xiàn)有的旋流器存在著耗能多，效率低、磨損快、因而壽命短，分級(jí)質(zhì)量不高的缺點(diǎn)。
本實(shí)用新型旨在提供一種高效節(jié)能，并能提高分級(jí)質(zhì)量及使用壽命的旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械。
本實(shí)用新型“高效節(jié)能旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械”是這樣實(shí)現(xiàn)的，它由入料管(1)(見(jiàn)圖6)，筒壁為園柱形或錐角不大的園錐臺(tái)形的旋流室(2)；軸線為漸開線、曲線或直線，截面為長(zhǎng)方形或長(zhǎng)方形漸變成園形的粗料管(3)；橫截面為園形的細(xì)料管(4)四部分組成。入料管(1)設(shè)在旋流室(2)的筒壁邊緣并和筒壁相切；粗料管(3)設(shè)在旋流室(2)的底板和筒壁的交線處，并和筒壁相切，出口方向和流體的速度方向一致；細(xì)料管(4)設(shè)在旋流室(2)的底板中心軸線處，也可以設(shè)在旋流室(2)的頂部中心軸線處。
本實(shí)用新型“高效節(jié)能旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械”由于沒(méi)有園錐體部分，從而旋流器的高度尺寸大大減小了，重量也減輕了。由于粗料管(3)、細(xì)料管(4)都設(shè)在旋流室(2)的底部，因此旋流器內(nèi)無(wú)上升流，外力無(wú)需克服重力作功，減少了能量的消耗，旋流器的效率大大提高了，即使細(xì)料管(4)設(shè)在旋流室(2)頂部中心軸線處，由于沒(méi)有下錐體部分，其效率也比現(xiàn)有的旋流器高，磨損也輕，粗料管(3)設(shè)在旋流室(2)的底部邊緣，粗料流體的旋流半徑較大，因此其旋流運(yùn)動(dòng)速度比現(xiàn)有旋流器要小得多，那么物料的慣性離心力也小得多，筒壁的磨損可大為減輕，這就大大提高了旋流器的使用壽命。由于粗料流體的運(yùn)動(dòng)速度降低，其所消耗的機(jī)械能減少了，因此本實(shí)用新型旋流器必定是高效、節(jié)能的；由于旋流室(2)的底板和筒壁的交線處是粗粒物料及高密度物料的集中地，因此粗料管(3)設(shè)在此更能符合分級(jí)的要求；由式(15)可知，只要選定適當(dāng)?shù)膮?shù)，粗粒及高密度物料很難進(jìn)入“中心區(qū)”，只有細(xì)粒、輕質(zhì)物料才有可能被向心旋流帶入“中心區(qū)”，因此細(xì)料管(4)設(shè)在旋流室底板中心軸線處是不會(huì)引起跑粗的。當(dāng)旋流器中是兩種不同的流體時(shí)，比重大的流體將從粗料管中排出，比重輕的流體將從細(xì)料管中排出，因此本實(shí)用新型也可以用來(lái)分離比重不同的兩種流體，綜上所述，本實(shí)用新型“高效節(jié)能旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械”具有高效率、低消耗、節(jié)能、使用壽命長(zhǎng)、分級(jí)質(zhì)量好、機(jī)械小巧、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。
附
圖1為現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外普通使用的旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械的結(jié)構(gòu)示意圖及旋流器內(nèi)流體的鉛垂速度示意圖。
其中1－入料管；2－溢流管；3－旋流室；4－園錐體；5－沉砂管；VZ－旋流器內(nèi)流體的鉛垂方向的分速度。
附圖2為旋流器內(nèi)流體的徑向速度Vr、切向速度Vt以及徑向、切向速度的合成速度示意圖。
附圖3為旋流器內(nèi)任一截面z、半徑為r處所取的正六面微元體的受力分析圖。
附圖4為物料在旋流器內(nèi)的受力分析圖。
附圖5為物料作用于旋流器園錐體筒壁處慣性離心力的分解示意圖。
附圖6為本實(shí)用新型“高效節(jié)能旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械”的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1－入料管；2－旋流室；3－粗料管；4－細(xì)料管。
附圖7為本實(shí)用新型“高效節(jié)能旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械”的A－A向剖視圖及旋流室內(nèi)流體的徑向速度Vr、切向速度Vt、以及它們的合成速度Vtr的示意圖。
附圖6為本實(shí)用新型“高效節(jié)能旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械”的一個(gè)最佳實(shí)施例。旋流室(2)為園筒形；入料管(1)設(shè)在旋流室(2)的筒壁邊緣并和筒壁相切；截面為長(zhǎng)方形的沉砂管(粗料管)(3)設(shè)在旋流室(2)的底板和筒壁的交線處，并和筒壁相切，出料方向和旋轉(zhuǎn)流體的速度方向一致；截面為園形的細(xì)料管(4)設(shè)在旋流室(2)的底板中心軸線處。物料與介質(zhì)流體由入料管(1)進(jìn)入旋流室(2)后，便在旋流室(2)內(nèi)作旋流運(yùn)動(dòng)，粗、重物料分布于旋流器內(nèi)半徑較大的地方，并沿旋流室(2)的筒壁向下旋流，最后從粗料管(3)排出，成為粗料產(chǎn)物；細(xì)、輕顆粒物料受向心介質(zhì)流體的作用，將作向心旋流運(yùn)動(dòng)，最后從細(xì)料管(4)排出，成為細(xì)粒產(chǎn)物。
權(quán)利要求1.在選礦、選煤、鉆井等領(lǐng)域中用于分級(jí)、脫泥、濃縮、除塵等作業(yè)上的高效節(jié)能旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械。它由入料管(1)、旋流室(2)、粗料管(3)、細(xì)料管(4)四部分組成，其特征在于入料管(1)設(shè)在旋流室(2)的筒壁處，并和筒壁相切；旋流室(2)的筒壁為園柱形或錐角不大的園錐臺(tái)形；軸線為漸開線、曲線或直線，橫截面為長(zhǎng)方形或長(zhǎng)方形漸變成園形的粗料管(3)設(shè)在旋流室(2)的底板和筒壁的交線處，并和筒壁相切、其出口方向和流體的速度方向一致；橫截面為園形的細(xì)料管(4)設(shè)在旋流室(2)的底板中心軸線處，也可以設(shè)在旋流室(2)頂部中心軸線處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效節(jié)能旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械，其特征在于它是用金屬材料制作，也可以用非金屬材料制作。
專利摘要一種在選礦、選煤、鉆井等領(lǐng)域中用于分級(jí)、脫泥、濃縮等作業(yè)上的(也可用于除塵)高效節(jié)能旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械。它由入料管、旋流室、粗料管、細(xì)料管四部分組成，入料管設(shè)在旋流室的筒壁邊緣處，粗料管設(shè)在旋流室的中心軸線處。此旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械具有效率高、耗能低、使用壽命長(zhǎng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，其分級(jí)效率和分級(jí)質(zhì)量也大大提高。
文檔編號(hào)B04C3/00GK2142757SQ9122679
公開日1993年9月29日 申請(qǐng)日期1991年10月9日 優(yōu)先權(quán)日1991年10月9日
發(fā)明者王培鋒 申請(qǐng)人:王培鋒