CN110665392A - 高效节能的轴流式搅拌装置及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效节能的轴流式搅拌装置及设计方法，包括固定在旋转轴上的轴流式桨叶，以及一套搅拌效率监测模块。3个固定在旋转轴上的桨叶，水平方向上等间距均匀设置固定在旋转轴上，桨叶叶片展向弦长基本维持不变，等厚度，所述桨叶由一个大叶片和一个小叶片组成，该小叶片的两端分别与旋转轴和该大叶片连接；本发明搅拌装置桨叶旋转式时，介质沿轴向运动，介质所受剪切力比较小；搅拌能耗监测模块既可用来实时监测搅拌能耗，计算单位体积搅拌能耗；又可以监测搅拌装置累计成本(包含设备采购、能耗、维护、管理和维修成本)，计算单位体积搅拌成本，为设备运行管理和决策提供参考依据。

Description

高效节能的轴流式搅拌装置及设计方法

技术领域

本发明涉及搅拌装置技术领域，尤其是一种高效节能的轴流式搅拌装置及设计方法。

背景技术

搅拌装置作为一种机械设备，在化工、造纸、制药、水处理等领域有着广泛的应用。搅拌装置一般由电机1、减速机2、联轴器3、机座4、密封座及密封圈(无密封要求时一般不设)、搅拌轴5、桨叶6等构成，如图1所示，其中桨叶6的结构如图1-1所示；而桨叶6的型式还有很多种，典型的有桨式(见图2)、弯叶开启涡轮式(见图3)、拆叶开启涡轮式(见图4)、推进式(见图5)、平直叶圆盘涡轮式(见图6)等。

其中，桨式、弯叶开启涡轮式、拆叶开启涡轮式、平直叶圆盘涡轮式等型式桨叶的结构的共同特点是桨叶叶片截面形状沿轴向方向变化不大；此结构的缺点是桨叶旋转时依靠叶片表面对介质的剪切力和介质自身旋转的离心力实现搅拌，而且介质主要沿着圆周方向旋转，不能实现竖直方向充分的翻转混合，搅拌效率也比较低，为达到搅拌效果，一台搅拌装置往往需要布置多层桨叶，这样导致搅拌装置尺寸大、能耗高、轴较长、安装维护不方便，给生产带来极大的浪费。

而推进式搅拌装置桨叶叶片截面形状沿轴向方向明显变化，属于一种轴流式搅拌装置，搅拌装置旋转时，依赖叶片表面的升力对介质做功，使介质沿轴向运动，并实现介质混合。但是其叶片轴向投影近似为椭圆形，从根部到叶缘，叶片展开弦长变化比较大，这样搅拌装置工作时轴向速度分布不均，需要比较高的转速或者大桨叶直径也即大的功率方能获得体积流，达到搅拌效果，因此搅拌效率比较低。同时因为推进式搅拌装置桨叶根部比较窄，根部应力比较大，化工设备设计全书之《搅拌设备设计》规定此种搅拌装置桨叶最大直径不得超过700mm。因此，推进式搅拌装置应用范围非常有限。

另外，搅拌效率为搅拌有用功与搅拌能耗比值，由于搅拌有用功检测比较困难，相同搅拌工艺搅拌效率的高低可通过单位体积搅拌能耗来体现；搅拌装置综合性能和可靠性还可通过单位体积搅拌成本(包含设备采购、能耗、维护、管理和维修成本)来体现。目前，国内尚无搅拌能耗和搅拌装置累计成本的监测。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种高效节能的轴流式搅拌装置及设计方法，轴向推力大，搅拌效率高；并能对搅拌能耗和搅拌装置累计运行成本有效监测。

本发明公开了一种高效节能的轴流式搅拌装置，包括3个固定在旋转轴上的桨叶，水平方向上等间距均匀设置固定在旋转轴上，桨叶叶片展向弦长基本维持不变，等厚度，所述桨叶由一个大叶片和一个小叶片组成，该小叶片的两端分别与旋转轴和该大叶片连接；

搅拌装置旋转式时，桨叶沿轴向运动，根据设定参数，计算桨叶叶片进口轴向速度

根据叶片翼展位置的排挤系数，对不同翼展截面进行排挤修正，桨叶采用等厚度叶片，取相同的排挤系数ψ修正，修正后的进口轴向速度计算出口绝对速度圆周分量

采用环量ξ修正对出口绝对速度圆周分量进行修正，从而得到v_u2＝ξv'_u2从而计算出叶片入流角

及出口角

再选取相应的进口和出口冲角Δβ₁、Δβ₂，最后得到不同翼展位置翼型骨线的安放角

到各个翼型骨线圆弧半径

H_t为理论扬程(m)；η为设计效率；η_h为水力效率，n为额定转速；l为计算截面翼型弦长；t为计算截面翼型栅距；d_h为桨叶轮毂直径；D_s为桨叶轮缘直径；v'_m1为计算桨叶叶片进口轴向速度；H_t为理论扬程；v'_u2为计算截面桨叶叶片出口的绝对速度圆周分量；ξ为计算截面出口绝对速度圆周分量的修正系数；v_u2为计算截面桨叶叶片出口经过环量修正后的绝对速度圆周分量；β₁’为计算截面翼型入流角；β₂’为计算截面翼型出流角；Δβ₁为计算截面翼型进口冲角、Δβ₂为计算截面翼型出口冲角；β_L为计算截面翼型骨线的安放角；R为计算截面翼型骨线的圆弧半径。

所述的小叶片的两端分别与旋转轴和该大叶片螺栓连接，便于装配和拆卸。

所述的小叶片厚度约为大叶片厚度的两倍。

还包括搅拌能耗监测模块，所述能耗监测模块包含数字电能表、A/D数据采集卡和计算程序，便于于设备运行管理和决策。

本发明还提出一种设计方法，

步骤1、搅拌装置旋转式时，桨叶沿轴向运动，根据设定参数，计算桨叶叶片进口轴向速度

根据叶片翼展位置的排挤系数，对不同翼展截面进行排挤修正，桨叶采用等厚度叶片，取相同的排挤系数Ψ修正，修正后的进口轴向速度计算出口绝对速度圆周分量采用环量ξ修正对出口绝对速度圆周分量进行修正，从而得到v_u2＝ξv'_u2从而计算出叶片入流角

及出口角再选取相应的进口和出口冲角Δβ₁、Δβ₂，最后得到不同翼展位置翼型骨线的安放角

到各个翼型骨线圆弧半径

步骤2、上述设计中对叶片出口环量进行的修正采用翼展方向从叶根到叶梢线性增加或将环量的峰值设置在桨叶翼展的0.6～0.9之间；

步骤3、在进行不同翼展截面的翼型参数计算时，根据毂径比及桨叶直径选取5～8个直径进行计算；

步骤4、为提高桨叶自清洁能力，需要加大叶片后掠程度；后掠角度达到20°以上。

所述的步骤一中，参数包括根据流量Q(m/s)、扬程H(m)、额定转速n(r/min)，初步选取叶栅稠密度l/t、毂径比d_h/D_s、叶片数z。

更进一步，桨叶最大直径可以达到4000mm。

还包括搅拌能耗监测模块包含数字电能表、A/D数据采集卡和计算程序；数字电能表将搅拌装置实时能耗和累计能耗分别通过A/D数据采集卡传输给计算机，计算机依据采集的数据和计算程序以及人工输入分别计算单位体积能耗和单位体积搅拌成本，并建立数据库。

本发明所采用的有益效果

(1)叶片为轴流式叶片；搅拌装置旋转式时，介质沿轴向运动，介质所受剪切力比较小，较常规推进式轴流搅拌装置低30％；

(2)叶片安放角比较大；较常规推进式轴流搅拌装置叶轮叶片安放角大40％，意味着大的轴向推力；搅拌介质深度一定，高效搅拌装置轴比较短，轴系稳定性提高；

⑶从叶根至叶缘，叶片展开弦长变化不大；既保证叶片扭曲不会太大，又保证介质轴向速度分布比较均匀，有利于体积流的形成，搅拌效率比较高；

⑷大叶片通过螺栓固定在强度和刚性足够大的小叶片上。采用此种结构形式，大叶片比较薄，搅拌装置桨叶重量减轻，一方面成本下降，另一方面轴系稳定性得到提高，并且搅拌装置桨叶直径可以比较大(可达4000mm)，可应用于大型搅拌罐。

附图说明

图1为现有技术的结构示意图，右侧为A-A向视图；

图2为有桨式桨叶结构示意图；右侧为俯视图；

图3为弯叶开启涡轮式桨叶结构示意图；右侧为俯视图；

图4为拆叶开启涡轮式桨叶结构示意图；右侧为俯视图；

图5为推进式桨叶结构示意图；右侧为俯视图；

图6为平直叶圆盘涡轮式桨叶结构示意图，右侧为俯视图；

图7为本发明的结构示意图；

图8为图7中A-A向视图；

图9为本发明和常规搅拌装置搅拌效果示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实例作进一步地详细描述。

实施例1

一种高效节能的轴流式搅拌装置，包括固定在旋转轴上的轴流式桨叶，并设有一套搅拌效率监测模块。

进一步地，所述桨叶设有3片，且均匀布置。

进一步地，所述桨叶由一个大叶片和一个小叶片组成，该小叶片的两端分别与旋转轴和该大叶片连接。

进一步地，所述设有一套搅拌能耗监测模块。

如图7和8所示的一种高效节能的轴流式搅拌装置，包括固定在旋转轴5上的桨叶6，所述桨叶6为轴流式。所述桨叶设有3片，均匀布置在所述旋转轴5上。

所述桨叶6由一个大叶片62和一个小叶片61组成，该小叶片61的两端分别与旋转轴5和该大叶片62连接，小叶片厚度约为大叶片厚度的两倍。

本发明高效节能的轴流式搅拌装置，其设计方法如下：

1)根据流量Q(m/s)、扬程H(m)、额定转速n(r/min)，初步选取叶栅稠密度l/t、毂径比d_h/D_s、桨叶叶片数z等参数；计算桨叶叶片进口轴向速度考虑不同叶片翼展位置的排挤系数不同，可以对不同翼展截面进行排挤修正，由于搅拌器桨叶一般采用等厚度叶片设计，因此可以取相同的流体排挤的修正系数ψ修正，修正后的进口轴向速度

计算出口绝对速度圆周分量

采用环量ξ修正对出口绝对速度圆周分量进行修正，从而得到v_u2＝ξv'_u2从而计算出叶片入流角及出流角

再选取相应的进口和出口冲角Δβ₁、Δβ₂，最后得到不同翼展位置翼型骨线的安放角

到各个翼型骨线圆弧半径根据叶片强度计算分析，可以对叶片进行等厚度加厚，最终形成桨叶叶片。

2)上述设计中对叶片出口环量进行的修正可以采用翼展方向从叶根到叶梢线性增加的方式，也可以将环量的峰值设置在桨叶翼展的0.6～0.9之间。

3)在进行不同翼展截面的翼型参数计算时，可以根据毂径比及桨叶直径选取5～8个直径进行计算。

4)为提高桨叶自清洁能力，需要加大叶片后掠程度。本发明桨叶后掠角度达到20°以上。

最终将桨叶设计成为包含三只叶片，每只叶片由一个大叶片和一个小叶片组成，小叶片厚度约为大叶片厚度的两倍，大叶片与小叶片通过螺栓联接。

叶片的主要结构特点是：

⑴叶片为轴流式叶片；搅拌装置旋转式时，介质沿轴向运动，介质所受剪切力比较小，较常规推进式轴流搅拌装置低30％；

⑵叶片安放角比较大；较常规推进式轴流搅拌装置叶轮叶片安放角大40％，意味着大的轴向推力；搅拌介质深度一定，高效搅拌装置轴比较短，轴系稳定性提高；

⑶从叶根至叶缘，叶片展开弦长变化不大；既保证叶片扭曲不会太大，又保证介质轴向速度分布比较均匀，有利于体积流的形成，搅拌效率比较高；

⑷大叶片通过螺栓固定在强度和刚性足够大的小叶片上。采用此种结构形式，大叶片比较薄，搅拌装置桨叶重量减轻，一方面成本下降，另一方面轴系稳定性得到提高，并且搅拌装置桨叶直径可以比较大(可达4000mm)，可应用于大型搅拌罐。

综合而言，与国内传统搅拌装置相比，搅拌效果如图9所示，左边是传统搅拌装置的搅拌效果，右边是本高效节能的轴流式搅拌装置的搅拌效果；本高效节能的轴流式搅拌装置具有以下优点：

⑴搅拌效率高，在保证搅拌效果的前提下降低能耗50％以上；传统搅拌装置未进行专门水力设计，桨叶搅拌效率低；而高效节能的轴流式搅拌装置桨叶参考成熟的轴流泵叶片设计技术，桨叶搅拌效率高。

⑵轴向推力大，单个桨叶可实现传统搅拌装置多层桨叶相同的搅拌效果；传统搅拌装置工作时，介质主要受到离心力和剪切力，离心力和剪切力主要使介质径向运动，而一般搅拌罐内介质比较深，这样往往需要多层桨叶才能达到搅拌效果。

⑶由于高效节能的轴流式搅拌装置轴向推力大，较常规推进式轴流搅拌装置的推力大40％，轴可以比较短，运行稳定性和可靠性均大幅增加；而传统搅拌装置需要多层安装，轴相应加长，轴系稳定性下降，运行可靠性下降。

⑷高效节能的轴流式搅拌装置立式安装时主要采用顶部单层基础安装，并且叶片为可拆卸型式，安装和维护方便；传统搅拌装置轴较长，通常需要顶部和底部双层基础安装，安装和维护复杂。

而与推进式搅拌装置比较，高效节能的轴流式搅拌装置也存在较大优势：

⑴传统推进式搅拌装置桨叶叶片呈椭圆形，从根部到叶缘，叶片展开弦长变化比较大，搅拌装置工作时介质轴向速度分布不均，搅拌效率比较低；而本高效节能的轴流式搅拌装置从根部到叶缘，叶片展开弦长基本不变，轴向速度分布比较均匀，搅拌效率比较高。

⑵传统推进式搅拌装置桨叶叶片呈椭圆形，根部较窄，根部应力较大，因此搅拌装置桨叶直径最大只能达到700mm，只能应用于小型的搅拌罐；而本高效节能的轴流式搅拌装置桨叶叶片比较薄，根部比较宽，通过螺栓固定在轮毂上，叶片根部应力较小，桨叶最大直径可以达到4000mm，可以应用于大型搅拌罐。

搅拌能耗监测模块包含数字电能表、A/D数据采集卡和计算程序。数字电能表将搅拌装置实时能耗和累计能耗分别通过A/D数据采集卡传输给计算机，计算机依据采集的数据和计算程序以及人工输入分别计算单位体积能耗和单位体积搅拌成本，并建立数据库，为设备运行管理和决策提供参考依据。

本发明叶片为轴流叶片；搅拌装置旋转式时，介质沿轴向运动，介质所受剪切力比较小；并且搅拌能耗监测模块既可用来实时监测搅拌能耗，计算单位体积搅拌能耗；又可以监测搅拌装置累计运行成本，并建立数据库，为设备运行管理和决策提供参考依据。根据搅拌机自身结构特点,大幅降低设计转速,以减小振动并降低剪切力；加大叶片后掠程度，提高桨叶自清洁能力。本发明的搅拌机提升动能，其工作扬程仅为轴流泵扬程1/100左右；搅拌机不带导叶，其轴向动能只能通过桨叶优化设计使其最小化，与泵带有导叶来回收叶轮的轴向动能不同。

本高效节能的轴流式搅拌装置无论从技术还是工艺角度以及设运行和管理角度，都比传统搅拌装置具有巨大的优势；此型式搅拌装置应用于生产，将对国内搅拌领域的技术革新具有非常重要的意义。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种高效节能的轴流式搅拌装置，其特征在于：包括3个固定在旋转轴上的桨叶，水平方向上等间距均匀设置固定在旋转轴上，桨叶叶片展向弦长基本维持不变，等厚度，所述桨叶由一个大叶片和一个小叶片组成，该小叶片的两端分别与旋转轴和该大叶片连接；

搅拌装置旋转式时，桨叶沿轴向运动，根据设定参数，计算桨叶叶片进口轴向速度根据叶片翼展位置的排挤系数，对不同翼展截面进行排挤修正，桨叶采用等厚度叶片，取相同的排挤系数ψ修正，修正后的进口轴向速度

计算出口绝对速度圆周分量

采用环量ξ修正对出口绝对速度圆周分量进行修正，从而得到v_u2＝ξv'_u2从而计算出叶片入流角

及出口角再选取相应的进口和出口冲角Δβ₁、Δβ₂，最后得到不同翼展位置翼型骨线的安放角

到各个翼型骨线圆弧半径

H_t为理论扬程(m)；η为设计效率；η_h为水力效率，n为额定转速；l为计算截面翼型弦长；t为计算截面翼型栅距；d_h为桨叶轮毂直径；D_s为桨叶轮缘直径；v'_m1为计算桨叶叶片进口轴向速度；H_t为理论扬程；v'_u2为计算截面桨叶叶片出口的绝对速度圆周分量；ξ为计算截面出口绝对速度圆周分量的修正系数；v_u2为计算截面桨叶叶片出口经过环量修正后的绝对速度圆周分量；为计算截面翼型入流角；

为计算截面翼型出流角；Δβ₁为计算截面翼型进口冲角、Δβ₂为计算截面翼型出口冲角；β_L为计算截面翼型骨线的安放角；R为计算截面翼型骨线的圆弧半径。

2.如权利要求1所述的高效节能的轴流式搅拌装置，其特征在于：所述的小叶片的两端分别与旋转轴和该大叶片螺栓连接。

3.如权利要求1所述的高效节能的轴流式搅拌装置，其特征在于：所述的小叶片厚度约为大叶片厚度的两倍。

4.如权利要求1所述的高效节能的轴流式搅拌装置，其特征在于：还包括搅拌能耗监测模块，所述能耗监测模块包含数字电能表、A/D数据采集卡和计算程序。

5.一种使用权利要求1-4任一所述的搅拌装置的设计方法，其特征在于：

步骤1、搅拌装置旋转式时，桨叶沿轴向运动，根据设定参数，计算桨叶叶片进口轴向速度

根据叶片翼展位置的排挤系数，对不同翼展截面进行排挤修正，桨叶采用等厚度叶片，取相同的排挤系数ψ修正，修正后的进口轴向速度

计算出口绝对速度圆周分量

采用环量ξ修正对出口绝对速度圆周分量进行修正，从而得到v_u2＝ξv'_u2从而计算出叶片入流角

及出口角

再选取相应的进口和出口冲角Δβ₁、Δβ₂，最后得到不同翼展位置翼型骨线的安放角

到各个翼型骨线圆弧半径

步骤2、上述设计中对叶片出口环量进行的修正采用翼展方向从叶根到叶梢线性增加或将环量的峰值设置在桨叶翼展的0.6～0.9之间；

步骤3、在进行不同翼展截面的翼型参数计算时，根据毂径比及桨叶直径选取5～8个直径进行计算；

步骤4、加大叶片后掠程度；后掠角度达到20°以上。

6.根据权利要求5所述的高效节能的轴流式搅拌装置设计方法，其特征在于：所述的步骤一中，参数包括根据流量Q(m/s)、扬程H(m)、额定转速n(r/min)，初步选取叶栅稠密度l/t、毂径比d_h/D_s、叶片数z。

7.根据权利要求5或6所述的高效节能的轴流式搅拌装置设计方法，其特征在于：桨叶最大直径可以达到4000mm。

8.根据权利要求5所述的高效节能的轴流式搅拌装置设计方法，其特征在于：还包括搅拌能耗监测模块包含数字电能表、A/D数据采集卡和计算程序；数字电能表将搅拌装置实时能耗和累计能耗分别通过A/D数据采集卡传输给计算机，计算机依据采集的数据和计算程序以及人工输入分别计算单位体积能耗和单位体积搅拌成本，并建立数据库。

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