对空间型水射流旋转喷头运动参数的研究

1、 全国第七届高压水射流技术讨论会论文对空间型水射流旋转喷头运动参数的研究张乐尧张齐庄焦阳一九九三年十月摘要空间型水射流旋转喷头是一种广泛用于石油化工和其它行业的储罐、釜、槽等各种容器内部清洗的设备。本文介绍了作者对空间型水射流旋转喷头运动参数研究的情况。在采用计算机模拟旋转喷头运动状况，分析其运动规律的基础上，本文着重阐述了运动乘数对其运动规律、运动轨迹的影响，并结合水射流对旋转喷头性能的影响，提出了确定运动乘数的基本方法。 旋转射流是一种用途广泛的水射流工作方式。它不但可以提高清洗的效率（例如采用旋转射流清洗平面），更重要的是它可以对一定空间进行全方位的清洗，覆盖整个被清洗表面。形成旋转射流

2、的喷头可分为两种，一种是平面型，射流只绕一固定轴旋转（图一）；一种是空间型，射流绕一轴旋转的同时，该轴还绕与其垂直的另一轴旋转（图二）。图一图二 一、平面型旋转喷头在不考虑射流断面积的情况下，固定喷头所喷出的射流在靶板上形成一个点。该点的坐标值是常量（图三）：xa yb 图三 在上述条件和靶距不变的情况下，射流只绕一固定轴旋转时，在靶板上形成一条轨迹为圆的线。这个圆确定了靶板平面xoy（图四）。这时，射流在靶板上的位置是时间t的函数。设射流旋转的角速度为，则有： x=Rcos(t) y=Rsin(t) z=c 图四 我们称这种为平面型旋转喷头。移动平面型旋转喷头，其轨迹会形成一个面：当沿z轴运

3、动时，会形成一个圆柱面（图五），当在与靶板平行的平面内运动时，则形成一个平面（图六）。图五图六二、空间型旋转喷头在与平面型相同的情况下，当射流绕一轴旋转，同时该轴还绕与其垂直的另一轴旋转时，射流的运动轨迹则是一个半径为R的球面，我们称之为空间型旋转喷头。这时，射流在靶上的位置由乘数方程：x=x(t) y=y(t) z=z(t)决定。在空间型旋转清洗喷头中，我们称射流绕其旋转的一轴为主动轴，与主动轴垂直的为从动轴。从动轴与主动轴之间通过诸如圆锥齿轮、圆柱齿轮、蜗轮蜗杆等啮合传动发生联系（图七），由机械原理可知：i=12=n1n2=z1z2式中：1主动轴的角速度（弧秒）2从动轴的角速度（弧秒）n1

4、主动轴的转度（转秒）n2从动轴的转度（转秒）z1主动齿轮的齿数z2从动齿轮的齿数图七5主动轴在靠喷嘴的反推力以1的速度自转的同时，还通过啮合元件，带着喷嘴绕从动轴以2的速度公转。 三、空间型旋转喷头运动轨迹的计算机模拟为了观察旋转喷头的运动状况，分析各乘数对其运动的影响，掌握其运动规律，我们采用计算机进行模拟。图八如（图八）所示建立空间直角坐标系。假想一半径为的球面，将旋转喷头主、从动轴的轴线交点放在坐标原点O上，并使其从动轴在Z轴上，为了简化问题，便于研究，我们只考虑一个喷嘴的情况，且令偏心距e=o，即射流从原点O射出，以沿x轴正向为起点，绕主、从动轴旋转。这时有：x=Rcoscos y=R

5、cossin z=Rsinx 当时间T=t时：1t 2t因为：i12故：21i所以：1i1t 因此有：x=Rcos（1t）cos（1ti） y=Rcos（1t）sin（2ti） z=Rsin（1t）依上式可求得任一时刻t，射流打击在球面上的点的沿Z轴的投影图。利用计算机，则可作出沿Z轴投影的打击点的轨迹图。实际的旋转喷头存在偏心距e，这时：x=（R2-e2）1/2coscos+esin y=（R2-e2）1/2cossin-ecos z=（R2-e2）1/2sinx把x，y，z分别平凡再相加，则有：x2+ y2+ z2=R2这说明(x，y，z)点是球面上的点。依上式利用计算机可得到e0时的轨迹

6、图。四、轨迹与运动参数的关系在讨论轨迹与运动参数的关系时，我们仍先讨论一只喷嘴，e0的情况。由于旋转喷头的公转轴（从动轴）是沿Z轴的，这样水射流打击的运动轨迹在x，y轴所在平面的赤道带上，其间隔距离最大，密度最小；而在两极则全部通过极点，多次重叠，密度最大。在赤道与极点之间，其打击密度随纬度的增加而加大。因此，必须讨论射流在赤道带上所打击过的次数和分布情况。在运动参数中，对运动轨迹有决定作用的是传动比i。由于：in1n2在某一时刻t，主、从动轴所转过的转数分别为： N1=n1tN 2=n 2t因此有： i= N 1N 2当N 1为整数，同时N 2也为整数时，射流的运动轨迹封闭，即轨迹终点与始点

7、重合。这时，若继续旋转，也只是重复上一个周期，而不会出现新的轨迹。在工程上，这种情况即为重复清洗。若N 1、N 2始终不能同时为整数，则轨迹永远不会封闭。当i为有理数（无限不循环小数）时，由于有理数总可以用一个分数pq（p、q为整数，q0）来表示，而：N1=（p/q）N2，故总可以找到一个整数q，使N2=q，而使N1=p等于整数。因此，i为有理数时，轨迹总是封闭的。当i为无理数（无限不循环小数）时，由于无理数是非比数，不能表示成分数pq的形式，故永远找不到两个整数N1，N2，使N1N2i，因此，轨迹将永远不封闭。由于i是由Z1，Z2决定的，i= Z1Z2 （Z1，Z2均为整数），故i不可能是无

8、理数。因此，空间型旋转喷头的轨迹总是封闭的。现在，我们来讨论Z1，Z2对运动轨迹的影响。1、当Z1，Z2 是最简分数，即Z1、Z2 是互质（Z1、Z2的最大公约数是）的非零整数时，由于i= N 1N 2= Z2Z 1所以：N 2= （Z 1Z 2 ）N 1当N 1= Z2 时，则N 2等于整数 Z1，即主动轴转过Z2转时，从动轴转过Z 1转。例如Z2Z 1 18117则表示当射流公转17转后，在赤道带上打上181个点（只考虑一只喷嘴，一转打一个点）。我们称当N 1，N 2 同为整数时的N 1为封闭周期。2、当Z2Z 1不是最简分数时，必须化为最简分数后才能看出它的封闭周期。例如30817的封闭

9、周期为308转，而30617的封闭周期不是306转，而是18转，因为30617181。同理61654封闭周期不是616转，而是308转。实际情况要比上述讨论的情况复杂。1、实际一只喷嘴在转过一周后，在赤道上打过两个点。它们之间只是起始点不同，而运动规律是一样的。2、实际喷头有两只喷嘴。在偏心距e0的情况下，它们的运动轨迹不一定重合，但运动规律是一样的。这样，实际旋转喷头在一个封闭周期内，对容器进行过四次清洗。3、由于存在e，射流的运动轨迹并不通过极点，而是在以极点为中心，以e为半径的圆上相切而过。因此，两极成为清洗不定、不到的盲区。五、旋转喷头参数的选择与优化采用空间型旋转喷头所清洗的化工容器

10、，例如储罐、釜等，其形状、大小及所清污垢的种类多种多样。因此，对旋转喷头的要求也各不相同。以清污垢的种类来说，有些很坚硬但很脆，这时射流运动轨迹间隔不必太密就可以使其破碎并从容器上脱落。而有些韧性或附着力很强的污垢，则要求射流运动轨迹非常接近，才能将其从器壁上全部清除掉而无残留。这样，按照第一种情况设计的清洗头在第二种情况下使用，覆盖率不足，将不能把污垢全部除掉；而按照第二种情况设计的旋转喷头在第一种情况下使用，则其效率大为降低。因此，在选择旋转喷头参数时，应力求使它满足下列要求：1、能达到较高的覆盖率。2、能获得最高的清洗效率。理想的旋转喷头应该是这样的：旋转喷头从一开始就有一定的覆盖率，随

11、着时间t的增加，覆盖率密度不断增加，最终达到某一极限值。这样，若污垢易清除，则所用时间可少些，提高了效率；难清除时，所用时间可长些，而在所增加的时间里，清洗喷头不是在重复以前清洗过的地方，而是清洗那些没有清洗到的地方，即增加了覆盖率。我们认为可按下述方式确定运动参数。1、选择适当的Z2。选择适当的Z2就是选择适当的封闭周期。为了使旋转喷头适合于破碎较坚硬的污垢，应使射流的靶距控制在最大打击力之内，一般Ld0200，（L为射流长度；d0为喷嘴的直径）。这时可通过计算或实验得到喷嘴直径为d0，L200 d0时，射流的直径d，这样可通过下式计算出封闭周期： N1=Z2=（2L）d这是旋转喷头所能达到

12、的最高覆盖率。2、选择适当的i。选择i，主要是选择i的整体部分。i的整体部分决定了旋转喷头在旋转一周内所分的份数。因此，i的整体部分的数值应满足轨迹密度的最低需要。i的小数部分是由互质的Z1、Z2的数值决定。 3、由Z2和i可以确定Z1。在i的整数部分基本不变的前提下，适当调整Z1、Z2的数值，以保证它们互质。六、空间型旋转喷头的应用由于空间型旋转喷头的运动轨迹可以覆盖整个空间，因此它特别适合于清洗釜、罐等容器设备，也可用于清洗塔和大直径管线等。采用这种喷头清洗容器设备有以下几点好处：1、清洗质量好。2、清洗速度快。3、实现半自动化清洗，无须人在容器内作业。4、不损伤容器内壁。我们采用自行研制

13、的空间型旋转喷头清洗北京燕化公司地毯厂丁苯胶乳车间的聚合釜、气提釜和炼油厂二催化车间的油气管线获得成功，取得了很好的社会效益和经济效益。地毯厂丁苯胶乳车间设计年产丁苯胶乳5000吨，采用非连续聚合工艺，聚合十几釜后，必须进行清洗。试开车时，由人工进釜清洗，时间约用7天，人进釜内作业有中毒的危险，并且采用小刀等工具会划伤光洁度为8的内釜壁。由于清洗时间长，严重影响开工率，致使装置远不能达到设计能力，在采用空间型旋转喷头清洗后，时间由7天缩短为1天，操作人员也不需在有毒的釜内作业，清洗质量高，不损伤釜壁，收到了满意的效果。在各地炼油厂的重油催化裂化装置中，沉降器油气管线结焦的清理一直是一个大难题。这种在油气管线内生成的厚达100200mm的结焦非常坚硬，加上油气管线细而高，（直径8001000，高度44m），清理非常困难。我们采用空间型旋转喷头，多次为我公司炼油厂及上海炼油厂清洗清洗油气管线，质量好、速度快、费用低，受到用户的好评。 七、清洗大直径管道用的空间型旋转喷头如果所清洗的容器长度很大，例如塔、垂直布置的大直径管道等，采用上述的空间型旋转喷头