一种水力旋流器及其蜗壳入口曲线的设计方法
阅读说明：本技术 一种水力旋流器及其蜗壳入口曲线的设计方法 (Hydrocyclone and design method of volute inlet curve thereof ) 是由 朱春霞 王学尧 于 2021-01-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种水力旋流器及其蜗壳入口曲线的设计方法,水力旋流器包括筒体、锥体结构、溢流管、沉沙嘴、给矿口,锥体结构的大口径端连接筒体的一端,筒体的另一端插设有溢流管,锥体结构的小口径端连接沉沙嘴,筒体的圆周面上设置有长方形腔体结构的给矿口,给矿口与筒体平滑相切形成蜗壳入口曲线,包括位于给矿口两侧的摆线段和圆弧段I,摆线段的一端与筒体的外圆相内切,摆线段的另一端与给矿口的一侧面相切,圆弧段I的一端与筒体的外圆相外切,圆弧段I的另一端与给矿口的另一侧面相切；所述水力旋流器通过减小入口段压力损失,可以降低水力旋流器无效能量损耗,提高有效给矿压力,使得矿浆流速加快,分级效果得到改善,最终沉砂浓度升高。(The invention provides a hydrocyclone and a design method of a volute inlet curve thereof, wherein the hydrocyclone comprises a cylinder body, a cone structure, an overflow pipe, a sand sinking nozzle and an ore feeding port, wherein the large-caliber end of the cone structure is connected with one end of the cylinder body, the overflow pipe is inserted at the other end of the cylinder body, the small-caliber end of the cone structure is connected with the sand sinking nozzle, the ore feeding port of a rectangular cavity structure is arranged on the circumferential surface of the cylinder body, the ore feeding port and the cylinder body are smoothly tangent to form the volute inlet curve, the volute inlet curve comprises a swing line section and an arc section I which are positioned at two sides of the ore feeding port, one end of the swing line section is inscribed with the excircle of the cylinder body, the other end of the swing line section is tangent to one side surface of the ore feeding port, one end of the arc section I; the hydrocyclone can reduce the invalid energy loss of the hydrocyclone by reducing the pressure loss of the inlet section, improve the effective ore feeding pressure, accelerate the flow velocity of ore pulp, improve the grading effect and finally increase the concentration of settled sand.)
技术领域
本发明涉及机械产品技术领域，具体涉及一种水力旋流器及其蜗壳入口曲线的设计方法。
背景技术
水力旋流器是利用离心力场分离两相或多相流体的高效分离设备。它具有结构简单、操作方便、生产能力大、分离效率高、占地面积小、无传动部件和易于实现自动控制的优点，在许多领域得到广泛应用。随着水力旋流器结构形式的优化、耐磨材质的改进、工艺流程的合理化、技术计算的完善、自控技术的采用和计算机的普及，其应用领域更加扩大，经济效益和社会效益更加明显。
蜗壳是将直线运动的液流变为圆周运动液流的转换器。因此，要求液流能流畅地进入旋流状态。所谓液流能流畅进入旋流状态，是指进入旋流状态的过渡状态沿程损失要小；内壁曲线光滑连接而没有拐点存在；曲率中心在同侧。沿程损失能量小，旋流器的效率高；光滑过渡将使旋流器内部的流线平顺，在内壁边界上，不产生漩涡；曲率中心同侧不发生气穴和气蚀现象。
水力旋流器常见的蜗壳入口曲线结构有切线型入口结构、阿基米德螺线入口结构和对数螺线入口结构，也有企业采用渐开线入口结构，然而这些入口结构都存在一些问题：切线型入口结构虽然加工简单，但入口能量损耗相比其他结构较大；阿基米德螺线入口结构，虽然可以减少入口的能量损耗，但加工较为复杂；对数螺线入口结构,为避免入口后液流互相碰撞，在轴线上要采取下坡角螺旋结构；渐开线入口结构的基圆半径和切点需要在设计中决定，计算复杂。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种水力旋流器，包括筒体(1)、锥体结构(2)、溢流管(3)、沉沙嘴(4)、给矿口(5)，所述筒体(1)为上下两端开口的圆柱形腔体结构，所述锥体结构(2)上下两端相通，锥体结构(2)的大口径端连接筒体(1)的一端，筒体(1)的另一端插设有溢流管(3)，锥体结构(2)的小口径端连接沉沙嘴(4)，筒体(1)的圆周面上设置有长方形腔体结构的给矿口(5)，给矿口(5)与筒体(1)平滑相切形成蜗壳入口曲线，所述蜗壳入口曲线包括位于给矿口(5)两侧的摆线段和圆弧段I，所述摆线段的一端与筒体(1)的外圆相内切，摆线段的另一端与给矿口(5)的一侧面S相切，所述圆弧段I的一端与筒体(1)的外圆相外切，圆弧段I的另一端与给矿口(5)的另一侧面S'相切；
所述摆线段的半径等于水力旋流器半径的一半，摆线段对应的弧度为0～π。
一种基于所述水力旋流器的蜗壳入口曲线的设计方法，包括：
步骤1：以O为原点建立直角坐标系XOY，以O为起点做弧度为0～π、半径为r12的摆线段，记摆线段的终点为点A，其中r1为水力旋流器的半径；
步骤2：过摆线段的终点A做一条平行于Y轴的直线，交X轴于点B；
步骤3：以点B为圆心作半径为r1的圆D1，则圆D1即为筒体的外圆；
步骤4：作摆线段在O点的切线L1，沿Y轴负方向在切线L1上截取线段OC，其中OC的长度根据给矿口的深度确定，过点C作线段OC的垂线L2，在圆D1的同侧截取线段CD，线段CD长根据给矿口的宽度确定，过点D作平行于线段OC的直线DE，交X轴于点E；
步骤5：作与圆D1相外切、与垂线DE相切的半径为r2的圆D3，其中r2为圆D3的预设半径值，与线段DE的切点为点F，与筒体外圆的切点为点G；
步骤6：剪切G点与A点之间的圆弧段，剪切切点F与切点G之间的圆弧段，剪切切点F到X轴的直线段EF，得到所述水力旋流器的蜗壳入口曲线，其中由直线段OC、CD、DF、圆弧段FG、优弧段GA、摆线段AO共同构成的封闭曲线所围成的空间即为给矿口与筒体之间形成的入口通道。
进一步地，给矿口(5)与筒体(1)平滑相切形成的另一种蜗壳入口曲线，包括位于给矿口(5)两侧的圆弧段I和圆弧段II，圆弧段II的一端与给矿口(5)的侧面S相切，圆弧段II的另一端与筒体(1)外圆相内切；
圆弧段II的半径r3设计为其中r1为水力旋流器的半径，r2为圆弧段I的预设半径值，f表示给矿口的宽度，K表示修正系数，K的取值范围为0≤K≤1。
一种基于所述水力旋流器的另一种蜗壳入口曲线的设计方法，包括：
步骤一：以O'点为原点建立直角坐标系XO'Y，以O'点为圆心作半径为r1的圆O'，则圆O'即为筒体的外圆，记圆O'与Y轴正半轴的交点为点A'；
步骤二：过O'点做一条与X轴正方向夹角为α的直线Y2，记直线Y2与圆O'在Y轴负方向的交点为点B'，满足K＝sinα,0≤α≤π；
步骤三：以O'点为起点在Y轴正方向侧的直线Y2上截取线段O'C'，线段O'C'的长度为其中f表示给矿口的宽度；
步骤四：以点C'圆心、以线段B'C'的长为半径作圆D4，则B'点即为筒体外圆与圆D4一端相内切的切点；
步骤五：过点C'作平行于Y轴的直线Y1，直线Y1与圆D4在Y轴正方向的交点为点D'，过点D'作平行于X轴的直线L3，在直线L3上沿远离圆D4的方向截取线段D'E'，线段D'E'的长度根据给矿口的深度确定；
步骤六：过点E'沿Y轴的负方向作平行于Y轴的线段E'F'，线段E'F'的长度根据给矿口的宽度确定；
步骤七：过点F'作平行于X轴的直线L4，作与圆O'相外切、与直线L4相切的半径为r2的圆D3，其中r2为圆弧段I的预设半径值，与直线L4的切点为点G'，与筒体外圆的切点为点A'；
步骤八：剪切B'点与A'点之间的圆弧段，剪切D'点与B'点之间的圆弧段，，剪切G'点与A'点之间的圆弧段，得到所述水力旋流器的蜗壳入口曲线，其中由直线段D'E'、E'F'、F'G'、圆弧段G'A'、A'B'、B'D'共同构成的封闭曲线所围成的空间即为给矿口与筒体之间形成的入口通道。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种水力旋流器及其蜗壳入口曲线的设计方法，所述水力旋流器可以降低入口处的能量损耗，且结构简单，液流能够由直线运动流畅地变成高速旋转的圆周运动，蜗壳入口曲线与圆弧的连接处没有“拐点”存在。通过减小入口段压力损失，可以降低水力旋流器无效能量损耗，提高有效给矿压力，使得矿浆流速加快，分级效果得到改善，最终沉砂浓度升高。
附图说明
图1为本发明中采用第一种蜗壳入口曲线设计的水力旋流器的结构示意图；
图2为本发明中采用第二种蜗壳入口曲线设计的水力旋流器的结构示意图；
图3为本发明中第一种蜗壳入口曲线的设计原理图及示意图，其中(a)表示第一种蜗壳曲线的设计原理图，(b)表示第一种蜗壳入口曲线的示意图；
图4为本发明中第二种蜗壳入口曲线的设计原理图及示意图，其中(a)表示第二种蜗壳曲线的设计原理图，(b)表示第二种蜗壳入口曲线的示意图；
图中，1、筒体，2、锥体结构，3、溢流管，4、沉沙嘴，5、给矿口，6、法兰盘，7、给矿口侧面S。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明。
实施例1：如图1所示，本发明提供的其中一种水力旋流器，包括筒体1、锥体结构2、溢流管3、沉沙嘴4、给矿口5，所述筒体1为上下两端开口的圆柱形腔体结构，所述锥体结构2上下两端相通，锥体结构2的大口径端通过法兰盘6连接筒体1的一端，筒体1的另一端通过法兰盘6连接溢流管3，锥体结构2的小口径端通过法兰盘6连接沉沙嘴4，筒体1的圆周面上设置有长方形腔体结构的给矿口5，为方便拆装，将整个锥体结构2设计为三个锥段，两两相连接的锥段的内外径均相等，分别通过法兰盘6连接，给矿口5与筒体1平滑相切形成蜗壳入口曲线，所述蜗壳入口曲线包括位于给矿口5两侧的摆线段和圆弧段I，所述摆线段的一端与筒体1的外圆相内切，摆线段的另一端与给矿口5的一侧面S7相切，所述圆弧段I的一端与筒体1的外圆相外切，圆弧段I的另一端与给矿口5的另一侧面S'相切，其中侧面S'为与侧面S7相对的一侧面；
所述摆线段的半径等于水力旋流器半径的一半，摆线段对应的弧度为0～π。
如图3所示，一种基于实施例1所述水力旋流器的蜗壳入口曲线的设计方法，包括：
步骤1：以O为原点建立直角坐标系XOY，以O为起点做弧度为0～π、半径为r12的摆线段，记摆线段的终点为点A，其中r1为水力旋流器的半径；
步骤2：过摆线段的终点A做一条平行于Y轴的直线，交X轴于点B；
步骤3：以点B为圆心作半径为r1的圆D1，则圆D1即为筒体的外圆，圆D2是以溢流管的外径所作的溢流管的外圆；
步骤4：作摆线段在O点的切线L1，沿Y轴负方向在切线L1上截取线段OC，其中OC的长度根据给矿口的深度确定，过点C作线段OC的垂线L2，在圆D1的同侧截取线段CD，线段CD长根据给矿口的宽度确定，过点D作平行于线段OC的直线DE，交X轴于点E；
步骤5：作与圆D1相外切、与垂线DE相切的半径为r2的圆D3，其中r2为圆D3的预设半径值，与线段DE的切点为点F，与筒体外圆的切点为点G；
步骤6：剪切G点与A点之间的劣弧段，剪切切点F与切点G之间的圆弧段，图中虚线表示的弧段即为需要剪切部分，剪切切点F到X轴的直线段EF，得到所述水力旋流器的蜗壳入口曲线，其中由直线段OC、CD、DF、圆弧段FG、优弧段GA、摆线段AO共同构成的封闭曲线所围成的空间即为给矿口与筒体之间形成的入口通道。
对于一个圆形弯管，其水头损失系数的计算公式如下：
式中，R0表示圆弯管平均曲率半径，d表示圆弯管直径，θ0表示圆弯管所对应中心角；
本发明根据公式(1)的原理计算水力旋流器蜗壳入口的阻力系数，在这里R0理解为水力旋流器蜗壳入口曲线的平均极半径，d理解为水力旋流器入口的宽度，取值为100mm，θ0理解为蜗壳入口曲线所对应的中心角，水力旋流器的半径r1＝180mm，θ0取值为π/2，下面比较四种蜗壳入口曲线的阻力系数：
对于圆切线型的蜗壳入口曲线，计算入口的阻力系数如下：
对于阿基米德螺线型的蜗壳入口曲线，计算入口的阻力系数如下：
如果将θ0等分为10份，其平均极半径为：
阻力系数
根据本实施例1设计的蜗壳入口曲线，计算入口的阻力系数如下：
摆线方程为：
其平均极半径为：
阻力系数
实施例2：如图2所示，本发明提供另外一种水力旋流器，包括筒体1、锥体结构2、溢流管3、沉沙嘴4、给矿口5，所述筒体1为上下两端开口的圆柱形腔体结构，所述锥体结构2上下两端相通，锥体结构2的大口径端通过法兰盘6连接筒体1的一端，筒体1的另一端通过法兰盘6连接溢流管3，锥体结构2的小口径端通过法兰盘6连接沉沙嘴4，筒体1的圆周面上设置有长方形腔体结构的给矿口5，为方便拆装，将整个锥体结构2设计为三个锥段，两两相连接的锥段的内外径均相等，分别通过法兰盘6连接，给矿口5与筒体1平滑相切形成的另外一种蜗壳入口曲线，这种蜗壳入口曲线包括位于给矿口5两侧的圆弧段I和圆弧段II，圆弧段II的一端与给矿口5侧面S相切，圆弧段II的另一端与筒体1外圆相内切，圆弧段I的一端与筒体1的外圆相外切，圆弧段I的另一端与给矿口5的另一侧面S'相切，其中侧面S'为与侧面S7相对的一侧面。
圆弧段II的半径r3设计为其中r1为水力旋流器的半径，r2为圆弧段I的预设半径值，f表示给矿口的宽度，K表示修正系数，K的取值范围为0≤K≤1。
如图4所示，一种基于实施例2所述水力旋流器的蜗壳入口曲线的设计方法，包括：
步骤一：以O'点为原点建立直角坐标系XO'Y，以O'点为圆心作半径为r1的圆O'，则圆O'即为筒体的外圆，记圆O'与Y轴正半轴的交点为点A'；
步骤二：过O'点做一条与X轴正方向夹角为α的直线Y2，记直线Y2与圆O'在Y轴负方向的交点为点B'，满足K＝sinα,0≤α≤π；当α＝0时点B'落在X轴负半轴，当α＝π时点B'落在X轴正半轴；
步骤三：以O'点为起点在Y轴正方向侧的直线Y2上截取线段O'C'，线段O'C'的长度为其中f表示给矿口的宽度；
步骤四：以点C'圆心、以线段B'C'的长为半径作圆D4，则B'点即为筒体外圆与圆D4一端相内切的切点；
步骤五：过点C'作平行于Y轴的直线Y1，直线Y1与圆D4在Y轴正方向的交点为点D'，过点D'作平行于X轴的直线L3，在直线L3上沿远离圆D4的方向截取线段D'E'，线段D'E'的长度根据给矿口的深度确定；
步骤六：过点E'沿Y轴的负方向作平行于Y轴的线段E'F'，线段E'F'的长度根据给矿口的宽度确定；
步骤七：过点F'作平行于X轴的直线L4，作与圆O'相外切、与直线L4相切的半径为r2的圆D3，其中r2为圆弧段I的预设半径值，与直线L4的切点为点G'，与筒体外圆的切点为点A'；
步骤八：剪切B'点与A'点之间的优弧段，剪切D'点与B'点之间的劣弧段，剪切G'点与A'点之间的圆弧段，得到所述水力旋流器的蜗壳入口曲线，其中由直线段D'E'、E'F'、F'G'、圆弧段G'A'、A'B'、B'D'共同构成的封闭曲线所围成的空间即为给矿口与筒体之间形成的入口通道。
根据本实施例2设计的蜗壳入口曲线，计算入口的阻力系数如下：
这里取夹角则平均极半径为：
通过上述计算可知，采用本发明提供的两种蜗壳入口曲线均能使水力旋流器入口阻力减小。
由水力旋流器压力损失的分段测定理论研究表明，入口段的压力损失占总压力损失的40％，减少入口段的压力损失是减低水力旋流器无效能量损耗的突破口。本发明所设计的两种蜗壳入口曲线的入口结构仅与水力旋流器的半径有关，其构成曲线采取相切设计，这两种设计增大了入口曲线的平均极半径，减低了入口阻力系数，使得入口段的压力损失减少，进而使得总压力损失减少，这两种设计提高了水力旋流器的有效给矿压力，使得矿浆的流速加快，分级效果得到改善，最终沉砂浓度得以升高。
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