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卧螺离心机螺旋输送器结构、强度及其转鼓内的流场研究

黄志新  
【摘要】: 卧螺离心机是一种广泛应用的高效离心分离设备,它具有连续操作、处理量大、单位产量耗电量较少、适应性强等特点。然而,卧螺离心机的理论研究和强度设计并不成熟,工程上使用的卧螺离心机往往出现输送器叶片断裂、分离效果下降、使用寿命降低等问题。此外,卧螺离心机的内部流体流动状态也不是十分清楚。因此,对螺旋输送器结构、强度及卧螺离心机内部流场的研究有着重要的工业应用价值和理论研究意义。 本论文首先对离心机中沉渣进行了力学分析,得到了螺旋输送器的摩擦力和正压力的计算公式;通过参数分析和正交设计发现:在离心力作用下螺旋叶片倾角、螺旋叶片壁厚和高度、螺旋内筒半径和壁厚是影响螺旋输送器应力强度的主要因素;而在正压力和摩擦力作用下螺旋叶片壁厚和高度、螺旋内筒半径、螺旋角和叶片倾角是影响螺旋输送器应力强度的主要因素。对比计算表明,在操作工况下圆锥形螺旋输送器的叶片应力强度随着螺旋叶片的外径变化而变化,其数值与等外径的圆柱形螺旋输送器叶片应力强度相当;因此,通过拟合圆柱形螺旋叶片强度公式,最终得到了可适用于不同型式螺旋叶片的通用强度计算关联式,这些关联式具有较好的精度,对螺旋输送器的工程设计和应用具有一定的帮助。 其次,为了方便卧螺离心机的工程设计,本论文采用可视化编程语言VB对有限元软件ANSYS进行了二次开发,开发出了卧螺离心机强度设计软件系统。该系统提供了传统计算法和有限元计算法两个模块选择,使转鼓和螺旋输送器的强度设计有了一个快捷有效的方法。 第三,为了考察卧螺离心机转鼓内部的流体流动行为,本论文设计了专用的沉降离心机流体动力学实验台,进行了卧螺离心机转鼓内流体周向速度的实验研究。结果表明:当流量增大的时候,卧螺离心机转鼓内自由液面层的周向速度滞后系数变小;在保持螺旋转速不变的情况下,自由液面层的周向速度滞后系数随转鼓转速的增加而减小。同时应用CFD对沉降离心机转鼓内流体进行了数值模拟,考察了不同的结构参数和操作参数对沉降离心机转鼓内流体周向滞后系数的影响,并拟合出了考虑转鼓转速、液层厚度和流量影响的轴向速度关联式。还在考虑螺旋影响的情况下进行了沉降离心机圆形转鼓内速度场的数值模拟,并将其流体周向速度的计算结果与实验结果进行比较,分析了影响周向速度的各种因素,拟合出了自由液面层的周向速度滞后系数计算公式。 另外,本论文提出了一种带有入口加速叶片的螺旋输送器,可以有效地加速入口处料液的周向速度,使料液获得与分离液池内环相近的周向速度,减少了对离心沉降液池的扰动,提高了分离效率。 最后,进行了多种工况下压力离心机的给料端转子头的有限元分析,结果表明:在给料端转子头设计中要充分考虑压力离心机正常工作时离心力产生的应力和两端轴承反力引起的变形。


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