钻井液搅拌器

1、前言钻井液搅拌器是泥浆净化配套系统的一部分，搅拌器是为了混合泥浆，使钻屑、泥砂在泥浆罐中不沉积在罐底以便于顺利地通过净化系统而设计的。它的主要功能是使钻井液中的固相颗粒悬浮。钻屑是有害固相的主要组成部分。要除掉有害固相，必须将他们悬浮起来，然后注入除砂器、除泥器及离心机才能实现。有用固相，例如各种加重材料（赤铁矿粉、重晶石粉）以及少量的膨润土等也需要均匀悬浮起来，以使钻井液的密度及其它性能保持稳定。因此，要求钻井液搅拌器能可靠地连续工作，避免固相发生沉淀现象。钻井液搅拌器是一种专用搅拌器，一般情况下不能简单地用化工、石油炼制、食品等工业中使用的搅拌器替代。在石油钻井液固控系统中，目前普遍使用机

2、械式搅拌器。机械式搅拌器由传动装置、搅拌轴和搅拌叶轮组成。循环罐上安装的搅拌器是一个重要的设备，严格说来，一旦投入运行就应长期不停，以保证钻井液的均匀性和旋流性，以及离心机的正常工作。开始使用的搅拌器也完全是化工系统使用的设备，没有考虑到钻井和钻井液的特点。我国八十年代初，石油固控设备中的搅拌机一部分由国外公司进口，而大部分直接引进化工系统应用。八十年代末则是仿制国外引进搅拌设备为主，这一期间搅拌机存在的主要问题是：可靠性差，搅拌效果不好，功耗大，叶轮片易断，不能长期连续工作，严重漏油、渗油几乎是这类搅拌机的通病。其叶轮形式均为单叶轮，圆盘叶轮式居多，罐内液体形不成很好的对流，固体颗粒悬浮不充

3、分。国内经过近几年的努力，从仿制测绘阶段，发展到自己研制新结构。长期困扰的问题在有些新结构的搅拌器上已基本解决。本次设计综合考虑多方面的因素，基本达到规定的技术要求。且也是按照一般的钻井液搅拌器结构进行设计的，即电机传动装置搅拌装置的结构形式。传动结构方案设计方案选择钻井液搅拌器的传动结构主要由电机、减速装置、联轴器及搅拌轴组成。在固控设备中最常用的钻井液搅拌器的形式并不多。主要为以下几种：齿轮传动结构的搅拌器。优点是传动效率高，缺点是体积大，维修不方便。国内有厂家生产。齿轮传动也分为直接传动和皮带传动。伞齿轮传动结构的搅拌器。其优点是结构简单，但缺点较多。例如：由于传动比的限制，要得到低转速

4、的钻井液搅拌器，必须通过皮带轮再做一次较大的减速，结果不但效率低，而且体积较大。此种结构在钻井液搅拌器中已不多见。化工中常用的摆线齿轮传动装置已很少在钻井液搅拌器中采用，除了可靠性差以外，整个装置太高，容易在搬家过程中碰坏，故已极少用。当前用的最多的仍然是蜗轮蜗杆传动。蜗轮蜗杆直接传动。蜗轮蜗杆传动结构简单，变速比大，可靠性高，在钻井液搅拌器中应用最为普遍。从美国进口的钻井液搅拌器几乎全是蜗轮蜗杆直接传动。蜗轮蜗杆皮带传动结构，虽然其体积较大，但具有软传动的特性，对保护电机过载很有好处，因此国内越来越多的用户都予以选用。方案确定根据相关资料显示及现场长期使用的经验来看，本次设计采用国内普遍采用

5、的蜗轮蜗杆皮带传动结构。其大致结构如图1所示。电机水平放置，安装、调整、更换方便。带传动结构简单、传动平稳、造价低廉，当过载时发生打滑起到保护电机的作用。减速器采用单级蜗杆减速器，结构尺寸小，重量轻，传动平稳，噪音小，传动功率大。图 SEQ 图表 * ARABIC 1 传动结构示意图电动机的选择选择电动机类型根据工作条件选用YB系列隔爆型异步电动机。YB系列隔爆电动机是Y(IP44)系列电动机的派生产品，外形尺寸与Y系列（IP44）稍有差异。因此YB系列隔爆电动机同Y(IP44)系列电动机一样具有高效、节能、噪声小、运行安全可靠、安装尺寸和功率等级符合国际标准等特点。此外它采用封闭自扇冷式，增

6、强外壳的机械强度，并保证组成外壳的各零部件之间的各接合面上具有一定的间隙参数。一旦电机内部爆炸，亦不致引起周围环境的爆炸性混合物爆炸。适用于石油、化工、煤矿井下有爆炸危险的场所。选择电动机的容量电动机的容量（功率）选得合适与否，对电动机的工作和经济性都有影响。容量小于工作要求，就不能保证工作机的正常工作，或使电动机长期过载而过早损坏；容量过大则电动机价格高，能力又不能充分利用，由于经常不满载运行，效率缓和功率因数都较低，增加电能消耗，造成很大浪费。对于载荷不变或变化不大，且在常温下长期连续运转的电动机，只要其所需输出功率不超过其额定功率。搅拌过程所需要的功率： （1）由于密封，估计摩擦功率约占

7、搅拌功率的5%，传动机构效率： （2） 式中：、分别为带传动、蜗杆传动、轴承、联轴器的传动效率。确定电动机转速为合理设计传动装置，根据工作机主动轴转速要求和各传动副的合理传动比范围，可以推算出电动机转速的可选范围。设计要求搅拌器叶轮转速为：V带传动常用的传动比范围为：24蜗轮蜗杆传动比范围为：1040所以电动机的转速可选范围为：= （3） =(24)(1040)60=(20160)60=12009600 符合这一范围的同步转速有1500和3000。确定电动机型号根据容量和转速，由、有关手册查出有三种适用的电机型号，如下表所示。综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格和带传动、减速器的传动比，

8、因此选定电动机型号为YB132S-4。表1 YB系列电动机的技术数据电动机型号额定功率（）同步转速（）满载转速（）堵转转矩最大转矩额定转矩额定转矩5.5300029002.22.3150014402.02.310009602.02.27507202.02.0确定传动装置的总传动比和分配传动比有选定的电动机满载转速和搅拌轴转速，可得到传动装置总传动比为： （4）V带传动比为：2减速器传动比：传动件的设计计算2.1. V带的设计已知: ，。2.1.1. 确定计算功率 由手册查得工作情况系数， 故： （5）2.1.2. 选择V带带型根据, 查得确定选用普通A型带。2.1.3. 确定带轮的基准直径初选

9、小带轮的基准直径，根据V带截型，参考手册选取。为了提高V带的寿命,宜选取较大的直径。取, 则从动轮基准直径。2.1.4 验算带的速度 25 （6） 带的速度适合。2.1.5 确定带轮的基准长度和传动中心距根据 （7）即: （10）主动轮上的包角合适。2.1.7 计算V带的根数Z （11）由, , 2,查得:, , , , 则取Z=4根。2.1.8 计算预紧力 （12）查得, 故：2.1.9 计算作用在轴上的压轴力 （13）2.1.10 V带的结构设计带轮的材料采用铸铁,牌号为150。根据, , 由机械设计手册查得：小带轮采用实心结构,大带轮采用四孔辐板式结构。 图2 带轮结构轮缘结构尺寸：A型

10、带轮槽尺寸由机械设计手册查得：基准宽度（节宽） 基准线上槽深 基准线下槽深 槽间距 外径 第一槽对称而对端面的距离 最小轮缘厚 带轮宽 （14）小带轮外径 （15）大带轮外径 （16） 轮槽角 2.2.蜗杆蜗轮传动设计2.2.1 选择蜗杆传动类型根据GB/T100851988的推荐,采用阿基米德圆柱蜗杆传动。2.2.2 选择材料考虑到蜗杆传动的功率不大,速度只是中等,故蜗杆采用45钢;因希望效率高些,耐磨性好些,故蜗杆螺旋齿面要求淬火,硬度为4555HRC。蜗轮采用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造.为可节约贵重的有色金属,仅齿圈用青铜制造,而轮芯用灰铸铁HT100制造。2.2.3 确定

11、主要参数, 取 , 则, 取。2.2.4 按齿面接触疲劳强度进行设计根据闭式蜗杆传动的设计准则先按齿面接触疲劳强度进行设计,再校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距 （17） = 1 * GB3 计算蜗轮轴上的转矩传动中心距按, 取, 则： （18） = 2 * GB3 确定载荷系数因工作载荷较稳定,故取载荷分布不均系数；选取使用系数；由于转速不高,冲击不大,可取动载荷系数；则 （19） = 3 * GB3 确定弹性影响系数因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配,故。 = 4 * GB3 确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距的比值, 可查得。 = 5 * GB3 确定许用接触应力根据蜗轮材料为

12、铸锡磷青铜ZCuSn10P1,金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度45 HRC,可查得蜗轮的基本许用应力。应力循环次数 （20） 式中：蜗轮转速，单位为； 工作寿命，单位为; 蜗轮每转一转，每个轮齿啮合的次数。寿命系数 则 （21） = 6 * GB3 计算中心距取中心距，因 故选取，可查得接触次数,因此以上计算结果可用。 = 7 * GB3 验算蜗轮圆周速度3, 故不必修正。图3 蜗杆、蜗轮主要参数与几何尺寸2.2.5 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸蜗杆分度圆直径； （22）齿顶圆直径； （23）齿根圆直径； （24） 轴向齿距； （25）螺旋线导程； （26）法向齿厚； （27）压力角； （28）

13、螺旋部分长度； （29） 取。蜗轮蜗轮齿数； 变位系数；分度圆直径； （30）齿顶圆直径（喉圆直径）； （31）齿根圆直径； （32） 外径； （33）咽喉母圆半径； （34） 齿宽； （35） 顶隙； （36） 齿宽包角； （37）式中由结构设计确定，取。2.2.6 校核齿根弯曲疲劳强度蜗轮分度圆直径蜗轮齿螺旋角 （38）当量齿数 （39） 根据，可查得齿形系数。螺旋角系数 （40）查得由铸锡磷青铜ZCuSn10P1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力。寿命系数 （41） 弯曲强度是满足的。2.2.7 精度等级公差和表面粗糙度的确定考虑到所设计的蜗杆是动力传动，属于通用机械减速器，从GB/T 100

14、89-1988圆柱蜗杆、蜗轮精度中选择8级精度，侧隙种类为，标注为 GB/T 10089-1988。然后由有手册查得要求的公差项目及表面粗糙度（具体数据见图纸）。2.3.蜗轮轴的设计2.3.1. 已知条件参数已知：蜗杆，；蜗轮受力： （42） （43） （44） 2.3.2. 材料的选择及热处理轴的材料主要是碳钢和合金钢。由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造轴尤为广泛，其中最常用的是45钢。根据设计要求选用45钢，调质处理，硬度170217HBS，。2.3.3. 初选最小轴径计算公式： （45）式中： ； ；

15、 值查得为126103。 当轴截面上开有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱。对于直径的轴，有一个键槽时，轴径增大5%7%然后将轴径圆整为标准直径，作为承受扭转作用的轴段的最小直径。即， 取。2.3.4. 轴的结构设计图4 轴的结构设计 = 1 * GB4 与联轴器相联 = 1 * GB3 计算转矩应小于联轴器的许用转矩选用刚性联轴器 = 2 * GB3 查出选用的联轴器轴孔直径与长度。查得 ， 查机械设计手册选： = 3 * GB3 为径向夹紧，须取与配合的轴长度略小些。取轴径 轴段长 = 4 * GB3 定位轴肩直径一般须增大不小于5。定位轴肩选取：50。 = 5 * GB3 查手

16、册确定键的尺寸参数。A型键14975（A点处）和A键181170（C点处）。 = 2 * GB4 与透盖相关尺寸 = 1 * GB3 由轴径线速度选取密封形式当时可以选用毡圈密封（适用于油脂润滑）。 = 2 * GB3 查手册选直径。具体数据见图。 = 3 * GB3 透盖凸出点与箱外活动件须留出1525间隔。 = 3 * GB4 与滚动轴承相连处。 = 1 * GB3 在前一直径基础上考虑安装、加工方便，且尾数为0.5，或用前一轴段直径；或再起轴肩，如（）处。 = 2 * GB3 选用适当轴承类型，查手册得其尺寸参数。考虑装配方便取轴承内径55k6，选30211正装，尺寸为： = 3 * G

17、B3 按值选取轴承润滑形式， 时宜用脂润滑。 = 4 * GB3 润滑时，轴承应距箱体内壁35，脂润滑时应装挡油环，故距内壁可取大些，因此取5。 = 4 * GB4 箱内传动件应距内壁1525。 = 5 * GB4 与齿轮或其他传动件相联处 = 1 * GB3 为装配较紧配合的传动件，一般再起轴肩，如图处，取60。 = 2 * GB3 轴段应比轮毂长稍短些，以获得轴向定位较紧。因此取。 = 3 * GB3 轴向定位可用套筒、轴肩、轴环、圆螺母、弹性挡圈措施，选用时查表采用套筒和轴环定位，轴环直径。2.3.5. 绘制弯矩（）、扭矩（）图2.3.6. 按弯扭合成校核轴的强度 （） （48） 计算受

18、载荷最大点处，抗弯截面模数值查表。（忽略键槽的影响）其它计算从略。故合格。搅拌器叶轮设计搅拌叶轮的选择搅拌器的搅拌作用由运动着的桨叶所产生，因此，桨叶的形状、尺寸、数量以及转速就影响搅拌器的功能。由于化工和食品工业的搅拌叶轮类型繁多由于叶轮使用范围具有较广的范围，因此真正用于石油钻井固控系统搅拌器的叶轮类型也不过三四种。常见的搅拌器叶轮可粗略的分为四种类型，即桨式，开启式，圆盘涡轮式和推进式。经过长期生产经验的积累和试验研究，各种类型叶轮尺寸的相对关系都已有一个大致的范围，超过这些范围设计出来的叶轮，无论外观或性能都不会理想。同样，它们相应的运转条件，介质粘度大致的流动状态都已有一定的推荐范围

19、，如表（2）所示。目前在国内外石油固控设备中，最常用的搅拌器叶轮只有两种，一种是开启式涡轮，一种是圆盘涡轮。很少再选用桨式和推进式。而开启涡轮式中用的最多的是平直叶片。在圆盘涡轮中，平直片、折叶片和后弯叶片都有采用。由于开启涡轮式即使没有挡板也具有强烈的上下对流作用，因此，在较先进的钻井液搅拌器中得到了广泛的应用。表2 搅拌器型式适用条件表搅拌叶轮形状与流态的关系固液相搅拌过程问题复杂，因为既有固液两相物性的不同，又存在着较大的密度差异。固液相搅拌有一个基本要求，就是使固体颗粒悬浮起来。如果雇相颗粒密度很小，浓度不大，密度与液体十分接近，则此时可将固相看作是液相的一部分。如果固相颗粒密度较大，

20、固相颗粒在液相中的沉降速度较大，只有进行充分搅拌才能保持固相的悬浮状态。从理论上讲，只要搅拌液的上升速度大雨固相沉降速度，就可使固体颗粒悬浮起来实验证明，固相悬浮存在一个临界搅拌转速，其值与固液相密度差、液相密度、固相浓度、液相粘度、粒径等物性有关，也与大罐形状和搅拌叶轮几何形状有关。钻井液使用高粘度的高分子聚合物越来越多，有些钻井液体系本身的粘度就很大，由于粘度相当大以及粘滞力的影响，在搅拌时很难形成湍流而处于层流状态。这种层流状态也只出现在搅拌叶轮附近，稍远处液体几乎是静止的。要解决液体的对流问题，不能单靠提高搅拌器转速和循环流量。因为在高粘度下搅拌叶轮排除流量甚少。转速过高还会在高粘度液

21、中形成沟流，稍远处仍为死区。此时可以通过加大叶轮直径，采用双层叶轮来增大搅拌区域。为了保证钻井液中固相的颗粒在罐内的均匀悬浮，必须提供一个适合的湍流流态、叶轮形状、数量及转速。其基本影响因素是叶轮的形状与运转参数。各种搅拌桨叶形状按搅拌器的运动方向与桨叶表面的角度可分为三类，即平叶、折叶和螺旋面叶。桨式、涡轮式、锚式、框式等的桨叶都是平叶或折叶，而推进式、螺杆式、螺带式的桨叶则为螺旋面叶。这里只介绍在钻井液搅拌器常用的浆式、涡轮式（属于平叶和折叶）、和推进式（属于螺旋面叶）叶轮。平叶的桨面与运动方向垂，即运动方向与桨面法线方向一致。折叶的桨面与运动方向成一个倾斜角度；一般为或等。螺旋面叶是连续

22、的螺旋面或其一部分，桨叶曲面与运动方向的角度逐渐变化，如推进式桨叶的根部曲面与运动方向一般可为，而其桨叶前端曲面与运动方向的角度较小，一般为左右。由于平叶的运动方向与桨面垂直，所以当桨叶低速运转时，液体的主要流动为水平环向的流动。当桨叶转速增大时，液体的径向流动就渐渐增大。桨叶转速愈高，由平叶排出的径向流愈加强。但只靠桨叶本身，它造成的轴向流动还是很弱的。折叶由于桨面与运动方向成一定倾斜角，所以在桨叶运动时，除有水平环流外，还有轴向分流。在桨叶转速增大时，还有渐渐增大的径向流。螺旋面可以看成是许多折叶的组合，这些折叶的角度逐渐变化，所以螺旋面的流向也有水平环向流、径向流和轴向流，其中以轴向流量

23、最大。由以上分析得知，钻井液搅拌器的叶轮按排液方向可分为径向流和轴向流型两种。平叶桨式、蜗轮式是径流型，螺旋面叶片的螺杆式、推进式是轴流型。折叶桨则居于两者之间，一般认为它更接近于轴流型，不过这种分发是近似的，是以主要流向来分的。这里要特别指出的是，不管何种叶型，当液体粘度稍低时，都将随着转速的变大，其流态逐渐由层流到过滤流到湍流。在湍流的状态下，平叶桨式搅拌轴附近将形成一个旋涡，中心液面向下，成漏斗状，液体表面成回转抛物面。旋面中心的液体几乎与搅拌轴同步，形成一个圆柱状回转区，在低粘度情况下，其直径大约为桨径的70%。这个区域内液体没有相对运动，所以混合、悬浮很不好。搅拌时不希望在循环内出现

24、过大的旋涡，旋涡过大说明转数过高，这给我们判断转速是否合适提供了根据。搅拌叶轮循环流量的计算为了研究搅拌器的功能，要研究桨叶与宏观液流、微观液流的关系，它们反映出桨叶的排出性能与剪切性能。各种桨叶因其形状、运转条件的不同而各有不同的排出流量。径向型桨叶在一定转速下旋转，自桨叶面处排出高速液流，使周围静止或低速流卷入其中，在罐内形成循环流。轴流型排出轴向流，对周围液体也有吸引挟带作用。这种循环流如图所示。图中桨叶排出量为，吸引挟带量为，总的循环流量为。罐内液体形成的循环遍及全罐。通过桨叶排出液体，将桨叶的能量传递到全罐各处，同时也使各处液体顺次流到具有强烈搅拌作用的桨叶附近。因此，叶轮的排除性能

25、对搅拌过程是非常重要的。图6 搅拌时罐内的液体循环流 （49） （50） （51） （52） （53） （54） 式中：排出流量，； 循环流量，；，分别为排出流量数和循环流数，无因次； 搅拌器转速；搅拌桨叶直径；桨叶宽度；大罐宽度；桨型系数；液体深度；叶片数；雷诺数。 （55）式中： 表观粘度； 密度。表3 桨型系数桨型系数平桨、平直叶开式涡轮平直叶圆盘涡轮后弯叶开启涡轮1.31.10.82公式（49）（55）的严格应用条件是： = 1 * GB3 集合尺寸的相对关系为：式中，为桨叶离罐底的距离。 = 2 * GB3 罐内为湍流流态。对于长方形钻井液循环罐及其介质流态，可以近似地认为满足上述的

26、条件。设计实例：钻井液循环罐宽为，泥浆密度为，粘度为，采用6片平直液的圆盘涡轮搅拌器，桨径，桨宽，搅拌速度。 = 1 * GB3 计算 = 2 * GB3 计算 = 3 * GB3 计算 = 4 * GB3 计算 = 5 * GB3 计算循环次数根据分析得知，在同等功率消耗下，一个转速低的大直径桨叶产生的循环流量大，而剪切力小；反之，一个转速高、直径小的桨叶产生的循环流量小，而剪切力大，这是一条桨叶选用的重要原则。搅拌叶轮几何尺寸和层数的确定从搅拌器的功能可以知道，桨叶的大小不是任意决定的，它可以影响桨叶的排出流量，它可以影响动力消耗，也就是可以影响向液体中输入衡量的大小，说明桨叶的大小直接影

27、响搅拌过程的进行。选择合理的叶轮尺寸，就能够提供给搅拌过程所需要的动力，还能够提供良好的流动状态，完成预期的操作目的。 桨叶的大小一般以桨径的大小（所谓桨径是指桨叶回转时前端轨迹圆的直径）和桨叶的宽度来衡量。钻井液循环罐中出现“圆柱回转区”是，说明这一部分混合很差，搅拌不好。在低粘度时，能量易传递，搅拌器直径可取小些。一般桨叶式可取。涡轮式取 。以固液相悬浮为目的时，为搅起罐底的固相颗粒，一般 。为取得液液乳化效果，提高剪切力，可增加转速，减少桨径，一般为 。推进式桨叶轴向流量大，体积循环能力强，一般桨径较小，其中多取 。桨叶数量大多取决于桨的形式。浆式常用两叶；各种涡轮式的桨叶以6叶，8叶居

28、多；推进式有2叶，3叶和4叶居多。桨叶的宽度取决于粘度大小和动力消耗之多少。在涡轮式液液搅拌中，当 时， ，桨径 。浆叶轮的层数取决于液层的高度。在低粘度时，当液面高 （罐高），只要一层即可。在高粘度时，上下搅动的范围仅是桨径的1/2，所以必须增加搅拌层数，层间距一般取为 。有时为了提高搅动的循环强度，也有上层使用轴向流叶轮，下层桨径向型叶轮的。下层桨叶离罐底面的距离一般为桨径的倍。为了防止固相沉淀，常将取为。上层桨叶离液面距离至少为, 推进式则要取，以防止产生旋涡，桨面外露。石油钻井固控系统装备中常用的几种叶轮类型及主要参数已列入表（4）中。表4 搅拌叶轮形式几重要参数搅拌叶轮结构与强度计算

29、钻井液搅拌器的叶轮结构叶轮结构对保证搅拌装置形成要求的液流流态有重要作用。用于钻井液的搅拌叶轮结构和制造都比较简单，与搅拌轴的连接也不复杂，由于搅拌器功率都叫富裕，因此，使用者完全可以根据具体的需要，参考在前面所介绍的有关叶轮形式与流态叶轮之间的定性和定量关系进行设计。除了叶轮有合理的结构外，显然也需要有足够的强度。 图7 平直叶开启涡轮 图8 折叶开启涡轮 = 1 * GB3 开启涡轮式开启涡轮是钻井液搅拌器中的常用结构。平叶式开启涡轮结构如图（7），折叶式开启涡轮如图（8）。开启涡轮大多数叶片在开有槽子的轮毂上焊接而成。对批量生产的开启式涡轮，叶轮较多的采用铸造的方法。桨叶宽度一般取（），

30、而厚度则由强度设计来决定。 = 2 * GB3 圆盘涡轮圆盘涡轮中的圆盘大多数是整体结构。焊接型平叶式如图（9），桨叶用螺栓连接的可拆式圆盘涡轮如图（10），弯叶圆盘涡轮结构如图（11），为了安装方便，也有采用对开式圆盘涡轮的，如图（12）。圆盘涡轮尺寸的相对关系为：桨径桨长桨宽。圆盘直径一般取桨径的。桨叶厚度有强度计算决定。 = 3 * GB3 其他如桨式、螺旋推进式、框式等搅拌器叶轮在钻井液搅拌装置中已不采用，这里不在作介绍。图9 平直叶焊接圆盘涡轮 图10 可拆式圆盘涡轮 图11 弯叶圆盘涡轮 图12 对开式圆盘涡轮搅拌叶轮强度设计桨叶强度的计算主要决定桨叶的厚度。它必须在决定了桨叶的直

31、径=宽度=数量，并相应决定了搅拌器的功率后，对桨叶进行结构设计时来进行。 = 1 * GB3 计算功率的确定计算功率通常采用下式计算： （56）式中：强度计算中所采用的功率，； 电机功率，； 电机启动时的过载系数； 传动系统的机械效率；轴封处损失的摩擦功率，。 = 2 * GB3 圆盘涡轮的强度计算圆盘涡轮的桨叶数量以6叶和8叶的多见。在强度计算时，以各桨叶同样受力、作功相等来处理，这样，总的动力消耗除以桨叶数即得一个桨叶的动力消耗，下面以6叶为例，每个桨叶的危险断面都是，该断面的弯矩值：图13 圆盘涡轮 （57）式中：桨叶上液体阻力的合力作用位置，；圆盘涡轮的圆盘半径，。这个弯矩值对于平直叶

32、，弯叶都是适用的。断面抗弯模数为： （58）式中：桨叶宽，；桨叶厚，。如果进行桨叶强度校核时，所取的和应比实际尺寸各小，以考虑腐蚀裕度问题。于是，计算应力为： （59）式中，为许用应力。在计算时是已知数，由 （60）解出： （61） = 3 * GB3 桨叶的安全系数由于强度中没有考虑液体的冲击,受力的不均匀,制造中出现的缺陷等多种难以确定的因素,以材料强度极限安全系数加以弥补,其推荐值如表（5）所示。表5 桨叶强度极限安全系数对于搅拌装置，因过程本身的特点要求操作中间的搅拌不得随意中断，有的搅拌过程，若搅拌器损坏中断搅拌将酿乘事故，这些情况下的搅拌器设计必须有更大的安全裕度，其桨叶强度的安全

33、系数应当酌量取得更大些。设计桨叶材料选用QT60板,其,安全系数,计算桨叶的厚度。 许用应力：桨叶厚度为：搅拌器功率的计算所谓搅拌功率包含两个不同的概念，即搅拌功率和搅拌作业功率。为使搅拌器连续运转所需的功率是搅拌器功率，为使搅拌过程以最佳方式完成的功率为搅拌作业功率，前者是物理量的函数，后者是工艺特性所决定的。很遗憾的是到目前为止，搅拌器功率和搅拌作业功率都没有准确的方法予以确定。生产实践中搅拌器功率不足的问题易于觉察，而搅拌器功率过大造成浪费的问题却往往被忽略了。计算搅拌器功率的目的：一是解决不同形式的搅拌器能向被搅拌的介质提供多少功率，以满足搅拌过程的要求；二是为搅拌器强度计算提供依据。

34、计算搅拌器规律有多种多样的公式和数表，这里仅应用其中最常用到的三种。Rushton 算图此算图是根据多种搅拌器在液体粘度为以内，Re的条件下进行了实验，测定出功率，得到功率因素和的关系曲线图，图（14）中横坐标为雷诺数，纵坐标为功率因素。在湍流条件下功率因素由下式确定： （62）式中： 搅拌器功率， 功率准数。考虑到用于钻井液的搅拌器的实际情况，因此，算图中只保留了一部分的曲线。图14 Rushton 的Re图Bates 算图Bates 算图提供了开启蜗轮式和圆盘蜗轮式的计算依据，见图（15） 。各曲线的几何限制条件为，。算图的使用方法与Rushton 算图相同。首先计算出，然后利用公式 算出

35、功率。图15 Bates 的Re从上图中可以看出，折叶式涡轮的功率最低，平直叶及弯叶都是径向流型，而折叶涡轮的流型更接近轴流型。搅拌过程的功率计算公式前面两种算图都是用来确定搅拌器的功率，这与要完成搅拌目的所要求的功率不同，搅拌器的功率与搅拌作业功率往往相差较大。计算搅拌作业功率的方法也是多种多样的，这里只采用单位体积平均搅拌功率的一种推荐方法。当在湍流区工作时（），液体单位平均搅拌功率有如下表的推荐值。表6 液体单位平均搅拌功率推荐值不同功率计算方法的修正问题Rushton 算图和Bates 算图都是用一定的规格的搅拌叶轮进行实验和推算的综合结果，都有一定的几何条件限制，而实际设计计算的情况

36、是多种多样的，为保证其准确性，要作出一些修改正 = 1 * GB3 桨叶宽度的影响一般来说，桨叶宽度增加，功率要增大。具体可以用下列公式计算出来。 （63）式中： （64） （65） （66） = 2 * GB3 桨叶数量的影响Rushton 曲线在全档板条件下，当Z=2，4，6修正后的功率为： （67）式中，表示叶数为6时，Rushton 算图求出的功率。 = 3 * GB3 桨角的影响Rushton和Bates 曲线中的桨角均为，一般情况下变小功率将降低。在湍流区功率正比于。 = 4 * GB3 液层高度的影响根据国内的试验，当在0.81.5范围内时，实际情况对功率准数没有影响。 = 5

37、* GB3 桨叶和罐底距离的影响根据实验，当在0.41.1之间变化时，对功率准数没有影响。 = 6 * GB3 桨叶层数及层间距影响一般认为，当时要设立多层桨。各层桨距为（1.01.5）。在层流条件下，层间距，,双层桨叶的功率约为单层桨的2倍。如果在湍流区，无档板条件下，双层桨功率是单层桨桨叶之和。 = 7 * GB3 桨叶直径的影响层流时，桨叶功率与 成正比，在湍流时功率与成正比。当桨径不合乎实验曲线的关系时，修正如下：蜗轮式和推进式： （68）修正后的功率为： （69）设计实例计算用Rushton算图求搅拌功率设计采用6片平直叶圆盘涡轮式搅拌器，桨径,桨宽，搅拌速度,桨的几何形状符合Rus

38、hton算图要求。钻井液循环罐宽为，泥浆密度为，粘度为。 = 1 * GB3 计算雷诺数 = 2 * GB3 从图 查得： = 3 * GB3 计算功率用Bates 曲线求搅拌功率（数据同上） = 1 * GB3 计算雷诺数 = 2 * GB3 从图 查得： = 3 * GB3 计算功率两式相比较，Rushton 算图比Bates 曲线计算的结果较大。用液体单位平均搅拌功率求搅拌功率搅拌的钻井液循环罐的体积为，搅拌的目的是固液悬浮，计算搅拌过程所需要的功率。解：由表 查得单位体积耗功 则搅拌过程所需要的功率最小为，最大为。搅拌轴系设计5.1搅拌轴的整体结构一切作旋转运动的零件，如齿轮、搅拌器等

39、，都必须安装在轴上，以传递运动和动力。所以轴是组成机器的主要零件之一。按照轴的中心线的形状不同，轴可以分为直轴和曲轴两类，搅拌轴是直轴中的一种，它主要是用来固定搅拌器，并从减速器的输出轴取得动力。在带动搅拌器转动的同时，将功率传递给叶轮以克服其旋转时遇到的阻力偶矩而对流体做功。搅拌轴的结构就是为满足这些要求而设计的。轴主要由轴颈、轴头、轴身三部分组成。支承轴的部分叫轴颈，安装搅拌器的部分叫轴头，其余的部分叫轴身。对于搅拌轴来说，一般可以设计成一段，但如果轴较长时，考虑到安装、检修、制造等因素，有时将轴分成上下两段。搅拌轴可以是实心轴，也可以是空心轴。搅拌轴的上端与减速器相连，因此，必须有安装联

40、轴器的轴端结构，联轴器同轴之间，由轴肩和锁紧螺母达到轴向固定，用键来达到周向固定，所以轴端必须车制出轴肩，相应的螺纹及退刀槽和键槽等。搅拌轴的材质及加工要求搅拌轴材质的选用，因从受力情况及工作条件出发，使其安全、适用、容易加工制造和经济管理。搅拌轴工作时，主要受扭转、故轴的材质应有足够的强度、刚度和韧性。此外，为了便于加工制造，还需要有优良的切削加工技能，所以常采用45号优质钢制造。对于要求较低的搅拌轴，也可用Q235A或35号钢。当搅拌轴有耐腐蚀要求时，应根据腐蚀介质的性质和温度条件来选取合适的材料，一般采用不锈钢或对碳钢轴加防腐措施。搅拌轴由于要求运转平稳，防止产生弯曲对轴封带来的不利，故

41、加工时对轴的直线度应有一定的要求，轴的直线度转速有关，转速高，多直线度的要求也高，一般规定：当转速低于时取0.15/1000（即m不大于0.15mm）；当转速为时取0.1/1000；转速大于时取0.08/1000。总直线度用上面的数值乘以轴的总长算得得到。搅拌轴的配合面的配合公差和表面粗糙度可按所配零部件（如搅拌器、联轴器、轴承等）标准的要求选取。压力在以下，通过填料箱一段轴的粗糙度可取，公差取H8/h7或H9/h9。至于表面硬度，只有在转速、压力、温度以及填料材质使得轴会很快磨损的场合才给予考虑，对轴进行调质处理或喷涂硬铬，可提高其耐磨性能，一般取HB=250300。5.3搅拌轴的计算搅拌轴

42、的计算主要是确定轴的最小截面尺寸（轴径），需要进行强度、刚度计算或校核，验算轴的临界转速和扰度等，以保证搅拌轴能安全又平稳地运转。搅拌轴的特点是轴很细长，搅拌器设在轴的最远端，轴经常受到的载荷是扭转载荷、弯曲载荷和轴向载荷等所组成的合成载荷。实际上，搅拌轴主要是只按扭转强度来计算的，因为轴向载荷很小，可以忽略不计，弯曲载荷很难计算，因此，轴按扭转计算时，常采用降低许用扭转应力的办法以补偿弯曲应力的影响来加以考虑。5.3.1搅拌轴直径的初算轴的扭转强度条件为： （70）式中： 扭转切应力，单位为； 轴所受的扭矩，单位为；轴的抗扭截面系数，单位为；轴的转速，单位为； 轴传递的功率，单位为； 计算截

43、面处轴的直径，单位为；许用扭转切应力，单位为，见表 。由上式可得轴的直径： （71）式中：。表7 轴常用几种材料的 及值轴的材料45152520352545149126135112126103对于直径的轴，有一个键槽时，轴径增大；有两个键槽时，轴径增大10%15%。此外，还要根据介质考虑考虑轴的腐蚀裕度，一般将轴径增加。因此，初选搅拌轴直径为50。5.3.2轴的刚度计算为了防止转轴产生过大的扭转变形，以免在运转中引起震动造成轴封失效，应该将轴的扭转变形限制在一贯人允许的范围内，这就是设计中的扭转刚度条件，为此，搅拌轴要进行刚度计算。工程上以单位长度的扭转角，不得超过许用扭转角作为扭转的刚度条件

44、。 （72）式中：轴扭转变形的扭转角；剪切弹性模数，对于碳钢及合金钢；截面的极惯性矩。实心圆轴直径应满足：或。式中，为系数，对于，钢的，值见表（8）。表8 B、C系数（）时从式（72）中可以看出，扭转变形的扭转角的大小是与扭矩成正比，与成反比。值越大，扭转变形越小。工程上将称为扭转刚度。关于扭转角的选择应视实际情况而定，在一般传动和搅拌轴的计算中可选取。查表得，则：初选直径50满足刚度条件。在这里必须指出，在选取轴径时应同时满足刚度和强度计算两个条件。一般按刚度条件计算的轴径较之强度条件计算者为大，所以通常对搅拌轴来说，主要以刚度条件确定轴径。5.3.3轴的临界转速的计算当搅拌轴的转速达到某一

45、定值时，运转便会出现不稳定而发生显著的反复变形和较为强烈的振动，这是一种共振现象。这种发生强烈振动时的转速称为轴的临界转速。如果继续提高转速，振动就会衰减，运动又趋于平稳。轴在靠近临界转速运转时，常因强烈的振动而损坏，计算轴的临界转速的目的，是为了使轴的工作转速避开轴的临界转速。通常轴的工作转速取第一临界转速的75%。轴的临界转速的计算与轴的支承方式，轴上搅拌器的个数、重量、安装位置、轴的尺寸、材质等许多因素有关。下面列举几种常用的临界速度的算法，如表（9）所示。表9 单圆盘不计轴重的临界速度计算公式由于钻井液搅拌器的转速不宜过高，以免钻屑在搅拌过程中进一步被粉碎，其转速一般选择在之间。且低速

46、轴多为刚性轴，一般不会发生共振，所以未对本设计中轴的临界转速进行验算。搅拌器的工作转速如果在200r/min以上，都应对轴的临界转速进行验算。只要轴的工作转速临界转速0.75,则轴的运转是安全的。5.4其它附件设计5.4.1联轴器联轴器的作用是将两个独立设备的轴牢固地联在一起，以进行传递运动和功率。联轴器除了将两轴联在一起回转外，为确保传动质量，要求被联接的轴要安装在同一轴心上即同心，另一方面要求传动中的一方工作如有振动、冲击，尽量不要传给另一方。搅拌器中的立式搅拌轴的联结，通常采用夹壳式联轴器。如图（16）所示立式夹壳联轴器（）它是由两个沿轴向剖分的半圆筒形的夹壳组成，并用一组螺栓锁紧，借拧紧螺栓的夹紧力压在被联接两轴的表面上，实现两轴的联接，夹壳中部及两轴端均有环形槽，其间放两个定位半环，实现联轴器的轴向定位。传递扭矩是靠两半联轴器与轴表面的摩擦力，通常还利用平键加以辅助。为使旋转平衡，相邻螺栓头部在装配时应方向相反。图16 立式夹壳联轴器通常按标准立式夹壳联轴器进行选用。标准系列范围：公称直径，许用转矩，最高使用温度，最高圆周速