攪拌器在石油化工、污水處理及其他生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍廣闊，目前在石化行業(yè)的污水處理中，大量使用潛水?dāng)嚢杵?。該種設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，但長(zhǎng)期置于水下，維護(hù)成本較高。新型的水力攪拌器可很好的解決此問(wèn)題。
一、背景
污水處理廠使用的推流器(潛水?dāng)嚢杵?，是污水處理生產(chǎn)流程中的一種推流裝置，在污水處理廠中數(shù)量眾多且不可或缺，目前市面大都采用電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)推流槳葉，放置于污水處理池中。由于其長(zhǎng)年累月工作在復(fù)雜多變的污水中，且轉(zhuǎn)速受推流槳葉限制，大多不是同步轉(zhuǎn)速，因而往往需要配備減速箱，有的還有防爆等特殊要求，其工作環(huán)境苛刻，使用壽命較短，企業(yè)運(yùn)行、維護(hù)成本較高。需要考慮合適的設(shè)備型式。
二、解決方案
經(jīng)綜合對(duì)比，參考循環(huán)水場(chǎng)水輪機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，采用直驅(qū)推流器的水力渦輪機(jī)可很好地解決該這一難題。這是一種利用水流能量驅(qū)動(dòng)污水處理廠推流器的超低比轉(zhuǎn)速微型水力渦輪機(jī)，推流槳葉通過(guò)鍵連接直接安裝于渦輪機(jī)的輸出軸上，利用外加水泵提供的、與之適應(yīng)的富含水頭能量的水流驅(qū)動(dòng)，取代原特種電動(dòng)機(jī)，不但滿(mǎn)足其惡劣的工作環(huán)境，還大大延長(zhǎng)了使用年限，大大降低了企業(yè)的運(yùn)行、維護(hù)成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
利用外加水泵抽取推流器所在污水池水、或者污水處理廠處理過(guò)的合格水，形成一定水頭、一定流量的高能水流，將之一對(duì)一、一對(duì)多接入所發(fā)明的驅(qū)動(dòng)污水處理廠推流器的超低比轉(zhuǎn)速微型水力渦輪機(jī)，驅(qū)動(dòng)推流器按設(shè)計(jì)工況旋轉(zhuǎn)，替代原來(lái)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，在技術(shù)上是可行的。由于這種驅(qū)動(dòng)污水處理廠推流器的超低比轉(zhuǎn)速微型水力渦輪機(jī)采用有能水流驅(qū)動(dòng)，滿(mǎn)足防爆要求;采用防腐材料制造，滿(mǎn)足防腐要求;針對(duì)推流器非同步轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足同轉(zhuǎn)速直聯(lián)要求;采用多年連續(xù)工作設(shè)計(jì)，極大減少了檢維修工作量。
三、設(shè)計(jì)選型
根據(jù)給定的原潛水?dāng)嚢杵鳂~的額定轉(zhuǎn)速、額定功率，確定直驅(qū)推流器的水力渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n=680r/min，旋轉(zhuǎn)方向按出流方向?yàn)轫槙r(shí)針;輸出功率P=4kW，渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)凈水頭H=20.38m，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪最大直徑d=375mm。
根據(jù)渦輪機(jī)出力公式：P=9.8QHη，渦輪機(jī)出力P=4kW，初定渦輪機(jī)效率為η=85%，渦輪機(jī)靜壓水頭H=20.38m，按經(jīng)濟(jì)流速3m/s計(jì)算，水輪機(jī)流量Q=0.023562m3/s，根據(jù)比轉(zhuǎn)速公式ns=nPH54，得比轉(zhuǎn)速ns=31.4075，流量Q=0.023562m3/s，取管道直徑D=0.10m，得管道平均流速：vˉ=3m/s，選定渦輪機(jī)輸水水管型號(hào)為DN100。
根據(jù)水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速及水輪機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，該型水輪機(jī)宜采用沖擊式水輪機(jī)，但考慮該水輪機(jī)出流為有壓出流，因而必須發(fā)明一種新型的、適用于有壓出流的、超低比轉(zhuǎn)速的特種水輪機(jī)，以滿(mǎn)足工作條件的限制，因而發(fā)明了直驅(qū)推流器的水力渦輪機(jī)。
四、結(jié)構(gòu)型式
直驅(qū)推流器的水力渦輪機(jī)采用梯形蝸殼，分為四個(gè)部分：蝸殼、導(dǎo)葉部分、轉(zhuǎn)輪部分、尾水部分。
蝸殼采用梯形蝸殼，在00~1800之間的每個(gè)斷面為正方形，在1800~3600之間的每個(gè)斷面為漸變的長(zhǎng)方形，蝸殼設(shè)計(jì)的原則：蝸殼內(nèi)的平均流速保持保持不變，蝸殼出流口為圓環(huán)形軸向出流，并且滿(mǎn)足速度矩為常數(shù)。
導(dǎo)葉部分的主要功能是將流出蝸殼圓環(huán)形出水口、具有一定環(huán)量的水流，無(wú)沖角地引入到導(dǎo)葉柵的進(jìn)口端(切向進(jìn)水)，并在導(dǎo)葉柵的流道中加速并按照設(shè)計(jì)的出流角度流出導(dǎo)葉，進(jìn)入渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的槳葉柵中;導(dǎo)葉部分第二個(gè)功能是作為蝸殼的連接部件、渦輪軸的前軸承安裝著力部件;導(dǎo)葉部分的第三個(gè)功能是安裝渦輪機(jī)的安裝固定支架，固定整個(gè)渦輪機(jī)。
轉(zhuǎn)輪部分由兩個(gè)主要部件組成：帶有槳葉柵的轉(zhuǎn)輪和與導(dǎo)葉部分、尾水部分靜連接的轉(zhuǎn)輪圍罩。轉(zhuǎn)輪的主要組成為槳葉柵，來(lái)自于導(dǎo)葉柵的速度水流，無(wú)沖角地沖入轉(zhuǎn)輪槳葉柵，將水流能量在槳葉柵中轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能后，軸向流出轉(zhuǎn)輪，進(jìn)入尾水部分;轉(zhuǎn)輪通過(guò)輪轂的利用鍵安裝于渦輪軸上;轉(zhuǎn)輪圍罩與導(dǎo)葉部分、尾水部分組成轉(zhuǎn)輪室，創(chuàng)造出準(zhǔn)輪的工作環(huán)境。
尾水部分主要是將轉(zhuǎn)輪流出的水流的速度進(jìn)一步降低，以盡可能多的吸收水流的動(dòng)能量，提高渦輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)化效率；其另外的一個(gè)功能就是提供渦輪機(jī)后軸承的安裝著力點(diǎn)。
下圖為直驅(qū)推流器的水力渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)，直驅(qū)推流器的水力渦輪機(jī)輸入水頭20.4米、容積流量為84.45立方米每小時(shí)，效率85.3%，長(zhǎng)度為465毫米，直徑為352毫米的類(lèi)圓柱形，滿(mǎn)足推流器的安裝要求。
由此，可構(gòu)建一種新型的水力攪拌器系統(tǒng)，其由水泵、攪拌葉輪、水力攪拌機(jī)主機(jī)、安裝系統(tǒng)(含管道、金屬軟接等組成)等組成。水力攪拌機(jī)為直聯(lián)式結(jié)構(gòu)，既有結(jié)構(gòu)緊湊、能耗低、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，且有軸向推力大、自潔防纏繞的良好功能。如圖2
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)月的試驗(yàn)，該水力攪拌系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)采用處理后的壓艙水(有一定壓力)可很好地解決攪拌需求，同時(shí)還能利用壓艙水自有的壓頭，節(jié)省部分電能。
五、結(jié)語(yǔ)
綜上所述，在介質(zhì)溫度不超過(guò)40℃、pH值在5-9之間、潛水深度不超過(guò)20m、介質(zhì)中沒(méi)有纏繞物和漂浮物的情況下，該類(lèi)水力攪拌器可適用于污水處理廠曝氣池、厭氧池和污泥池等含有懸浮物需混合、攪拌的場(chǎng)合。同時(shí)，工業(yè)流程中一些對(duì)操作安全性較高的環(huán)境，如含有金屬鹽、紙漿和纖維物質(zhì)的水、含有一些磨損顆粒、碎渣與金屬鹽的某些工業(yè)污水處理過(guò)程均可有效使用。對(duì)潛水?dāng)嚢杵骶哂泻芎玫奶娲饔?。?>
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