过程强化装置的偏心转子与活塞的接触方式对设备运行的影响

1、过程强化装置的偏心转子与活塞的接触方式对设备运行的影响    摘要探讨了过程强化装置的偏心转子与活塞点接触时,设备在运行过程中长度与压力的变化规律;并提出了消除这种变化的措施。关键词过程强化偏心转子压力0前言要产生振荡运动,可利用偏心转子。作为一种机械装置,偏心转子可用于许多机器设备中。但不论是现有技术或理论,都没有注意到偏心转子实际上只保证其圆心在某个方向作简谐振动,某些情况下并不能保证由转子驱动的构件(如活塞)作同样的简谐振动以及由此引起的相关问题,如由转子驱动的两活塞内端面之间的距离不能保持恒定从而影响设备内介质的压力、不能消除转子因倾斜造成的椭圆

2、度影响等。本文研究一种改进的转子机构,其特点是:必要时可使由转子驱动的构件(如活塞)作与转子中心同频率(周期)、同振幅的简谐振动,并使由转子驱动的两活塞内端面之间的距离保持恒定,从而消除对设备内介质压力的影响。1塑性区深度的讨论图1所示的是利用转子机械装置驱动活塞以产生振荡运动的一种过程强化装置,其技术方案是1:在过程设备1(内设挡板2)上设置与之密封配合的转子机械振荡装置,使过程设备内的流体形成湍流或充分混合,以强化工艺过程。振荡装置主要由活塞3与圆柱转子4构成,转子对称斜置,形成相位差180°的偏心距,此即活塞振幅。将转子横截面绘于图2,由图2不难推得点接触(即活塞杆直接或通过接

3、触球7与转子接触)时,在任意时刻,左活塞的位移是:式中z活塞杆末端与转子的接触点i到活塞位移为0的平衡线0-0的距离,即为活塞内端面的行程;R转子横截面半径;e转子偏心距;转子位置角度;同理,点接触时在任意时刻右活塞的位移是z=R2-e2sin2-R-ecos(2)显然式(1)、式(2)均不是简谐运动ecos。经研究得知,只有转子顶点d(参阅图3)的位移是简谐运动ecos。为了让这一简谐运动传递给活塞,经分析,发现需要加一切线,即在活塞杆末端增加一接触件8,如图3(b)所示,使接触件与转子的横截面相切,而接触件的增加并没有使结构复杂起来。加接触件后,活塞的位移才是ecos2,它与未加接触件时(

4、通过接触球与转子接触,即点接触)的位移实际上不同,有一差距,如图3所示。只有加了接触件后,活塞的位移才是简谐运动ecos;只有活塞的位移是ecos,才能保证设备体积不变,从而保证设备内流体的体积在设备运行过程中始终保持不变。分析如下:参阅图2、图3,在任意时刻(任意位置)时,切点d点到0-0线的距离,即加切线时左活塞的位移为z=dk=cd-R=oc+od-R=oc=ecos。此时右活塞的位移必为z=-ecos(注意,两转子对称斜置),故在任意时刻左、右活塞行程之和为0,不会引起设备长度的变化。点接触则不然,此时令左、右活塞行程之和若右活塞上升或下降的距离等于左活塞下降或上升的距离,则应为0,所

5、以实际上也是任一时刻不同下两活塞内端面间的距离变化。显然并不恒为0,这表示当转子与活塞点接触时,由于左、右转子并不各自以简谐振动规律运行,故二者的位移并不完全对称。由式(3)知,<0,这表示对图1所示的结构,机构运行过程中两活塞内端面间的距离始终略呈增大状态,不会引起设备内介质的压力增加,但会引起压力降低,适用于设备空间可略有增大的场合或空间的增大对过程影响不大的场合;对不允许设备内的压力减小的场合会有一定影响。若要使运行过程中两活塞内端面间的距离呈缩小状态,只需相应地改变转子截面的几何形状。式(3)还表明以90°为对称,并在=90°处为最大值(负的),以180

6、76;为周期。令一些任一瞬间处的如图4所示,也是受影响的,越大,即偏心距越大,越大。要改变的大小,需调节。以R=80 mm为例,设=0·5,于是e=R= 40mm,=90°处=e=-0·5359×40=-21·4 mm,又设设备长度L=2000 mm,/L=21·4/2000=1·07%,设备长度有一个百分点的增长。2和对压力的影响设备在运行过程中不能保证体积始终不变会有什么不良后果呢?因为流体的体积变化,就会引起其压力发生变化,压力变化不仅影响设备的正常运行,而且影响产品的质量和生产效率,特别是对压力敏感的产品的生产,影响

7、是严重的。下面讨论由于设备长度变化导致体积变化所引起的压力变化,以理想气体为例,实际流体可以此作为参照。根据气体体积与压力的关系3有:式中p0初始状态的压力p1设备运行过程的压力V0初始状态的体积V1设备运行过程的体积由式(5)得压力降低系数为m=1/ 1+2(1- 1-2sin2) (7a)其中,=R /L。显然,=90°和270°时, p1/p0最小,其值为m=1/ 1+2(1- 1-) (7b)由式(7a)显然可知,、越大,压力降低得越多。为了详细看出、对压力的影响,将、对m的影响规律例出如图5所示,也便于工程上的查图。利用Fluent后处理,得到迷宫密封腔内流体速度

8、场分布图,如图5所示。从图5中清晰可见,密封腔体内存在大漩涡,在齿顶间隙处气体呈射流状,这与迷宫密封的密封作用机理吻合。迷宫密封正是由于密封齿的节流和密封腔内湍流涡的动能耗散而达到密封的。迷宫腔通过湍流混合将动能转换成热能以尽可能多地耗散掉这些动能。这一过程在迷宫的每一级重复。所以流体动力设计的目标就是使射流中的动能耗散最大化。图6给出了转子转轴表面沿轴向静压分布图,从图6中可以发现,转轴壁面上的静压沿转轴方向成阶梯下降分布趋势,且压力降主要发生在齿顶间隙处,而密封腔内的压力基本一致,呈水平线分布。3总结笔者对迷宫密封流场进行数值模拟,在密封流体区域网格划分过程中考虑网格单元长宽比对迭代收敛性

9、的影响,提出只有合理控制网格长宽比才能保证收敛效率。建立了迷宫密封内流场分析的有限元模型,讨论了网格单元长宽比对收敛性的影响,计算了给定工况下迷宫密封气体的泄漏量,分析了迷宫密封齿腔内的压力和流场分布,从而得到迷宫密封的密封机理,即密封齿的节流和密封腔内湍流涡的动能耗散使得密封得以实现。参考文献1闻邦椿,武新华,丁千,韩清凯·故障旋转机械非线性动力学的理论与试验M,北京:科学出版社, 2004.2沈庆根·化工机械故障诊断技术M·杭州:浙江大学出版社, 1993·3李雪松,黄典贵·迷宫气封三维非定常流场及转子动特性数值仿真J·机械工程学报, 2003, 39 (4)·4Toshio Hirano, Zenglin Guo, R Gordon Kirk·Application ofcomputational fluid dynamics analysis for rotating machinery-part II: labyrinth seal