過程強(qiáng)化裝置的偏心轉(zhuǎn)子與活塞的接觸方式對設(shè)備運(yùn)行的影響

1、過程強(qiáng)化裝置的偏心轉(zhuǎn)子與活塞的接觸方式對設(shè)備運(yùn)行的影響    摘要探討了過程強(qiáng)化裝置的偏心轉(zhuǎn)子與活塞點(diǎn)接觸時(shí),設(shè)備在運(yùn)行過程中長度與壓力的變化規(guī)律;并提出了消除這種變化的措施。關(guān)鍵詞過程強(qiáng)化偏心轉(zhuǎn)子壓力0前言要產(chǎn)生振蕩運(yùn)動(dòng),可利用偏心轉(zhuǎn)子。作為一種機(jī)械裝置,偏心轉(zhuǎn)子可用于許多機(jī)器設(shè)備中。但不論是現(xiàn)有技術(shù)或理論,都沒有注意到偏心轉(zhuǎn)子實(shí)際上只保證其圓心在某個(gè)方向作簡諧振動(dòng),某些情況下并不能保證由轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)的構(gòu)件(如活塞)作同樣的簡諧振動(dòng)以及由此引起的相關(guān)問題,如由轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)的兩活塞內(nèi)端面之間的距離不能保持恒定從而影響設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的壓力、不能消除轉(zhuǎn)子因傾斜造成的橢圓

2、度影響等。本文研究一種改進(jìn)的轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu),其特點(diǎn)是:必要時(shí)可使由轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)的構(gòu)件(如活塞)作與轉(zhuǎn)子中心同頻率(周期)、同振幅的簡諧振動(dòng),并使由轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)的兩活塞內(nèi)端面之間的距離保持恒定,從而消除對設(shè)備內(nèi)介質(zhì)壓力的影響。1塑性區(qū)深度的討論圖1所示的是利用轉(zhuǎn)子機(jī)械裝置驅(qū)動(dòng)活塞以產(chǎn)生振蕩運(yùn)動(dòng)的一種過程強(qiáng)化裝置,其技術(shù)方案是1:在過程設(shè)備1(內(nèi)設(shè)擋板2)上設(shè)置與之密封配合的轉(zhuǎn)子機(jī)械振蕩裝置,使過程設(shè)備內(nèi)的流體形成湍流或充分混合,以強(qiáng)化工藝過程。振蕩裝置主要由活塞3與圓柱轉(zhuǎn)子4構(gòu)成,轉(zhuǎn)子對稱斜置,形成相位差180°的偏心距,此即活塞振幅。將轉(zhuǎn)子橫截面繪于圖2,由圖2不難推得點(diǎn)接觸(即活塞桿直接或通過接

3、觸球7與轉(zhuǎn)子接觸)時(shí),在任意時(shí)刻,左活塞的位移是:式中z活塞桿末端與轉(zhuǎn)子的接觸點(diǎn)i到活塞位移為0的平衡線0-0的距離,即為活塞內(nèi)端面的行程;R轉(zhuǎn)子橫截面半徑;e轉(zhuǎn)子偏心距;轉(zhuǎn)子位置角度;同理,點(diǎn)接觸時(shí)在任意時(shí)刻右活塞的位移是z=R2-e2sin2-R-ecos(2)顯然式(1)、式(2)均不是簡諧運(yùn)動(dòng)ecos。經(jīng)研究得知,只有轉(zhuǎn)子頂點(diǎn)d(參閱圖3)的位移是簡諧運(yùn)動(dòng)ecos。為了讓這一簡諧運(yùn)動(dòng)傳遞給活塞,經(jīng)分析,發(fā)現(xiàn)需要加一切線,即在活塞桿末端增加一接觸件8,如圖3(b)所示,使接觸件與轉(zhuǎn)子的橫截面相切,而接觸件的增加并沒有使結(jié)構(gòu)復(fù)雜起來。加接觸件后,活塞的位移才是ecos2,它與未加接觸件時(shí)(

4、通過接觸球與轉(zhuǎn)子接觸,即點(diǎn)接觸)的位移實(shí)際上不同,有一差距,如圖3所示。只有加了接觸件后,活塞的位移才是簡諧運(yùn)動(dòng)ecos;只有活塞的位移是ecos,才能保證設(shè)備體積不變,從而保證設(shè)備內(nèi)流體的體積在設(shè)備運(yùn)行過程中始終保持不變。分析如下:參閱圖2、圖3,在任意時(shí)刻(任意位置)時(shí),切點(diǎn)d點(diǎn)到0-0線的距離,即加切線時(shí)左活塞的位移為z=dk=cd-R=oc+od-R=oc=ecos。此時(shí)右活塞的位移必為z=-ecos(注意,兩轉(zhuǎn)子對稱斜置),故在任意時(shí)刻左、右活塞行程之和為0,不會引起設(shè)備長度的變化。點(diǎn)接觸則不然,此時(shí)令左、右活塞行程之和若右活塞上升或下降的距離等于左活塞下降或上升的距離,則應(yīng)為0,所

5、以實(shí)際上也是任一時(shí)刻不同下兩活塞內(nèi)端面間的距離變化。顯然并不恒為0,這表示當(dāng)轉(zhuǎn)子與活塞點(diǎn)接觸時(shí),由于左、右轉(zhuǎn)子并不各自以簡諧振動(dòng)規(guī)律運(yùn)行,故二者的位移并不完全對稱。由式(3)知,<0,這表示對圖1所示的結(jié)構(gòu),機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中兩活塞內(nèi)端面間的距離始終略呈增大狀態(tài),不會引起設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的壓力增加,但會引起壓力降低,適用于設(shè)備空間可略有增大的場合或空間的增大對過程影響不大的場合;對不允許設(shè)備內(nèi)的壓力減小的場合會有一定影響。若要使運(yùn)行過程中兩活塞內(nèi)端面間的距離呈縮小狀態(tài),只需相應(yīng)地改變轉(zhuǎn)子截面的幾何形狀。式(3)還表明以90°為對稱,并在=90°處為最大值(負(fù)的),以180

6、76;為周期。令一些任一瞬間處的如圖4所示,也是受影響的,越大,即偏心距越大,越大。要改變的大小,需調(diào)節(jié)。以R=80 mm為例,設(shè)=0·5,于是e=R= 40mm,=90°處=e=-0·5359×40=-21·4 mm,又設(shè)設(shè)備長度L=2000 mm,/L=21·4/2000=1·07%,設(shè)備長度有一個(gè)百分點(diǎn)的增長。2和對壓力的影響設(shè)備在運(yùn)行過程中不能保證體積始終不變會有什么不良后果呢?因?yàn)榱黧w的體積變化,就會引起其壓力發(fā)生變化,壓力變化不僅影響設(shè)備的正常運(yùn)行,而且影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率,特別是對壓力敏感的產(chǎn)品的生產(chǎn),影響

7、是嚴(yán)重的。下面討論由于設(shè)備長度變化導(dǎo)致體積變化所引起的壓力變化,以理想氣體為例,實(shí)際流體可以此作為參照。根據(jù)氣體體積與壓力的關(guān)系3有:式中p0初始狀態(tài)的壓力p1設(shè)備運(yùn)行過程的壓力V0初始狀態(tài)的體積V1設(shè)備運(yùn)行過程的體積由式(5)得壓力降低系數(shù)為m=1/ 1+2(1- 1-2sin2) (7a)其中,=R /L。顯然,=90°和270°時(shí), p1/p0最小,其值為m=1/ 1+2(1- 1-) (7b)由式(7a)顯然可知,、越大,壓力降低得越多。為了詳細(xì)看出、對壓力的影響,將、對m的影響規(guī)律例出如圖5所示,也便于工程上的查圖。利用Fluent后處理,得到迷宮密封腔內(nèi)流體速度

8、場分布圖,如圖5所示。從圖5中清晰可見,密封腔體內(nèi)存在大漩渦,在齒頂間隙處氣體呈射流狀,這與迷宮密封的密封作用機(jī)理吻合。迷宮密封正是由于密封齒的節(jié)流和密封腔內(nèi)湍流渦的動(dòng)能耗散而達(dá)到密封的。迷宮腔通過湍流混合將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能以盡可能多地耗散掉這些動(dòng)能。這一過程在迷宮的每一級重復(fù)。所以流體動(dòng)力設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是使射流中的動(dòng)能耗散最大化。圖6給出了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸表面沿軸向靜壓分布圖,從圖6中可以發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)軸壁面上的靜壓沿轉(zhuǎn)軸方向成階梯下降分布趨勢,且壓力降主要發(fā)生在齒頂間隙處,而密封腔內(nèi)的壓力基本一致,呈水平線分布。3總結(jié)筆者對迷宮密封流場進(jìn)行數(shù)值模擬,在密封流體區(qū)域網(wǎng)格劃分過程中考慮網(wǎng)格單元長寬比對迭代收斂性

9、的影響,提出只有合理控制網(wǎng)格長寬比才能保證收斂效率。建立了迷宮密封內(nèi)流場分析的有限元模型,討論了網(wǎng)格單元長寬比對收斂性的影響,計(jì)算了給定工況下迷宮密封氣體的泄漏量,分析了迷宮密封齒腔內(nèi)的壓力和流場分布,從而得到迷宮密封的密封機(jī)理,即密封齒的節(jié)流和密封腔內(nèi)湍流渦的動(dòng)能耗散使得密封得以實(shí)現(xiàn)。參考文獻(xiàn)1聞邦椿,武新華,丁千,韓清凱·故障旋轉(zhuǎn)機(jī)械非線性動(dòng)力學(xué)的理論與試驗(yàn)M,北京:科學(xué)出版社, 2004.2沈慶根·化工機(jī)械故障診斷技術(shù)M·杭州:浙江大學(xué)出版社, 1993·3李雪松,黃典貴·迷宮氣封三維非定常流場及轉(zhuǎn)子動(dòng)特性數(shù)值仿真J·機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2003, 39 (4)·4Toshio Hirano, Zenglin Guo, R Gordon Kirk·Application ofcomputational fluid dynamics analysis for rotating machinery-part II: labyrinth seal