一种一体式曲线型旋流器的设计方法及装置与流程

1.本发明涉及旋流器领域，尤其是涉及一种一体式曲线型旋流器的设计方法及装置。


背景技术：

2.旋流器是一种常见的分离分级设备，常用离心沉降原理。由于粗颗粒与细颗粒之间存在粒度差，其受到离心力、向心浮力、流体曳力等大小不同，受离心沉降作用，大部分粗颗粒经旋流器底流口排出，而大部分细颗粒由溢流管排出，从而达到分离分级目的。作为离心力与重力复合力场的典型设备，因其结构简单、占地面积小、安装操作方便、运行成本低等优点而被广泛地用于诸多领域。目前来看，影响水力旋流器分级效率和分离精度的主要因素包括内部摩擦、内部流体运动、溢流管插入深度、柱段直径、锥段直径和角度等等，其解决方法主要是改善边壁、顶盖边界层效应、优化溢流管形式和优化尺寸等，为了满足不同的分离要求，发展出了多种旋流器基本结构形式。公开号为cn111068939a的发明公开了一种幂函数形锥形旋流器，其锥形管为垂直截面为幂函数形的圆管体，柱形管依然存在，并不是一体式设计，同时幂函数行锥段不能通过改变一点进行有效控制。公开号为 cn102225382a的发明公开了一种溢流管壁孔式集油曲线型旋流器，在旋流外筒固定一个消涡导向体，其一体设计仅仅是把各过渡段改为圆弧过渡，并不是整体式曲线设计，同时无法控制曲线。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是针对水力旋流器柱锥段形式和结构参数对分离效率的影响，各部分过渡不自然的现象，同时减少短路流与循环流的影响，解决现有设计方法无法对旋流器内部型线直接控制的问题，从而提供了一种一体式曲线型旋流器的设计方法及装置。该方法设计计算简单、优化效果明显、适应性强，同时具有数学理论支撑，将各个独立的部分变成整体通过点和方程进行控制。
4.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
5.一种一体式曲线型旋流器的设计方法，用于根据水力旋流器分离需求设计曲线型旋流器内部型线，该曲线型旋流器内部型线由控制点确定，所述控制点的选取策略包括：根据旋流器中的溢流管插入深度和深度角确定，根据旋流器顶盖板直径确定，根据旋流器顶盖板直径、顶弧角β和底弧角δ确定，根据旋流器柱段高度确定，以及根据旋流器锥段高度和角度以及锥切角γ确定；
6.根据所述控制点的选取策略选取多个控制点，所述曲线型旋流器内部型线的曲线弧度和长度由深度角α、顶弧角β、锥切角γ和底弧角δ共同确定；对各个控制点进行曲线拟合，形成曲线型旋流器内部型线，从而构建一体式曲线型旋流器。
7.进一步地，所述控制点的数量为6个，采用贝塞尔曲线或样条曲线对各个控制点进行曲线拟合，所述贝塞尔曲线或样条曲线对应的曲线方程的阶数为5阶。
8.进一步地，第一个控制点为旋流器溢流管插入最深点，第二个控制点为旋流器溢
流管与顶盖板交点，位于以d为直径的顶盖板基圆平面中心，第三个控制点为旋流器顶盖板与柱段曲线交点，位于以d为直径的顶盖板基圆平面边缘，第四个控制点为旋流器柱段曲线和锥段曲线a交点，第五个控制点为旋流器锥段曲线a和锥段曲线b的交点，其中锥段曲线a和锥段曲线b根据锥段曲线切线与中心线夹角进行划分，第六个控制点为锥段曲线b尾部端点，各控制点由贝塞尔或样条光滑曲线自由连接。
9.进一步地，所述控制点的数量为4个，采用贝塞尔曲线或样条曲线对各个控制点进行曲线拟合，所述贝塞尔曲线或样条曲线对应的曲线方程的阶数为3阶；
10.第一个控制点为旋流器溢流管与顶盖板交点，第二个控制点为旋流器顶盖板与柱段直线交点，位于以d为直径的顶盖板基圆平面边缘，第三个控制点为旋流器柱段直线和锥段直线交点，第四个控制点为锥段直线尾部端点。
11.进一步地，所述控制点的数量为5个，采用贝塞尔曲线或样条曲线对各个控制点进行曲线拟合，所述贝塞尔曲线或样条曲线对应的曲线方程的阶数为4阶；
12.第一个控制点为溢流管插入最深点，第二个控制点为旋流器溢流管与顶盖板交点，第三个控制点为旋流器顶盖板与柱段直线交点，位于以d为直径的顶盖板基圆平面边缘，第四个控制点为旋流器柱段直线和锥段直线交点，第五个控制点为锥段直线尾部端点。
13.进一步地，可以采用n次贝塞尔曲线连接各个控制点，所述n次贝塞尔曲线的初始参数方程的表达式为：
[0014][0015][0016]
式中，t为n次贝塞尔曲线的控制值，n为贝塞尔曲线的阶数。
[0017]
进一步地，可以采用k次b样条曲线方程的控制点控制曲线形状，所述k次样条曲线方程表达式为：
[0018][0019]
作为一种可选的实施方式，控制点为4个，曲线方程可以是贝塞尔或样条曲线，且曲线方程为3阶。旋流器内部曲线控制点的选取方法为：p1点为旋流器溢流管与顶盖板交点，p2点为旋流器顶盖板与柱段直线交点，位于以d为直径的顶盖板基圆平面边缘p，p3点为旋流器柱段直线和锥段直线交点，p4点为锥段直线尾部端点。各控制点由贝塞尔或样条光滑曲线自由连接，通过方程控制旋流器内部整体型线。
[0020]
作为一种可选的实施方式，控制点为5个，曲线方程可以是贝塞尔或样条曲线，且曲线方程为4阶。旋流器内部曲线控制点的选取方法为：p1为旋流器溢流管插入最深点，p2为旋流器溢流管与顶盖板交点，p3为旋流器顶盖板与柱段直线交点，位于以d为直径的顶盖板基圆平面边缘，p4为旋流器柱段直线和锥段直线交点， p5为锥段母线b尾部端点。各控制点由贝塞尔或样条曲线自由连接，通过方程控制旋流器内部整体型线。
[0021]
作为一种可选的实施方式，如图1所示，控制点为6个，曲线方程可以是贝塞尔或样条曲线，且曲线方程为5阶。旋流器内部曲线控制点的选取方法为：p1为旋流器溢流管插入最深点，p2为旋流器溢流管与顶盖板交点，p3为旋流器顶盖板与柱段直线交点，位于以d为直
径的顶盖板基圆平面边缘，p4为旋流器柱段直线和锥段直线交点，p5为旋流器锥段a和锥段b两条直线的交点，其中锥段直线a和锥段直线b为双锥旋流器锥段的两条母线，p6为锥段母线b尾部端点。各控制点由贝塞尔或样条光滑曲线自由连接，通过方程控制旋流器内部整体型线。
[0022]
根据上述方法设计成的一体式曲线型旋流器包括进料管、溢流管、底流管、顶盖板、柱段和锥段a、b。溢流管插入最深点为曲线一端点，锥段b终止点为曲线另一端点，中间部分均光滑过渡，为一完整曲线。
[0023]
在一种优选的实施方式中，内部曲线可以用相关方程进行直接控制，选取6个控制点，把曲线定义为六点五阶贝塞尔曲线，在三维坐标内计算曲线控制方程，其中，六点5阶贝塞尔曲线初始参数方程为：
[0024]
b(t)＝p1(1-t)5 5p2t(1-t)4 10p3t2(1-t)3 10p4t3(1-t)2 5p5t4(1-t) p6t5,t∈[0,1]
[0025]
其中，t为六点5阶贝塞尔曲线控制值，一般由两点曲线间弦长确定,通常情况下t满足单调递增。
[0026]
在一种优选的实施方式中，一体式曲线型旋流器相关设计尺寸的确定方法为：
[0027]
入料管直径(0.15-0.36)d(1)
[0028]
锥体角度1-30
°
(2)
[0029]
溢流管直径(0.15-0.5)d(3)
[0030]
溢流管插入深度(0-0.75)d(4)
[0031]
底流口直径(0.1-0.35)d(5)
[0032]
锥比0.15～0.75(6)
[0033]
其中，d为旋流器公称直径。
[0034]
在一种优选的实施方式中，设计好进料管、溢流管和底流管形式、尺寸及插入深度，计算关键参数，通过曲线的旋转等三维操作生成旋流器一体式曲面并添加厚度，形成水力旋流器实体。
[0035]
本发明还提供一种一体式曲线型旋流器，包括进料管、溢流管、底流管、顶盖板、柱段、锥段a和锥段b，所述一体式曲线型旋流器的内部型线采用如上所述的一种一体式曲线型旋流器的设计方法构建，所述内部型线的一端点为溢流管插入最深点，另一端点为锥段b的终止点，所述内部型线为中间部分光滑过渡的完整曲线。
[0036]
进一步地，所述旋流器的溢流管与顶盖板所成角度为深度角α，所述旋流器顶盖板和柱段所成角度为顶弧角β，所述旋流器柱段与第一个锥段所成角度为锥切角γ，所述旋流器第一个锥段与第二个锥段所成角度为底弧角δ。
[0037]
进一步地，所述贝塞尔曲线旋流器为内凹型样条曲线旋流器为外凸型。
[0038]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0039]
(1)本发明提出了一种“盖柱锥”一体式曲线型旋流器的设计方法，根据水力旋流器分离需求设计曲线型旋流器内部型线，该内部型线由控制点确定，其中，控制点p1由溢流管插入深度决定，控制点p2、p3由旋流器顶盖板直径决定，控制点p4由旋流器柱段高度决定，控制点p5、p6由旋流器锥段a、b高度和角度决定。对水力旋流器截面建立坐标系，确定各控制点坐标，从而计算出六点7阶曲线方程，绘制一体式曲线，该曲线可以是贝塞尔曲线或样条
曲线，整个型线为一完整整体，每一段均平滑过渡。该方法实现了根据曲线方程对旋流器内部型线的直接控制，可以适应各种变化情况，同时减少了循环流和短路流的影响，显著提高了分离效率。
[0040]
(2)本发明方法的曲线计算简单、灵活多变，内部型线可以由曲线方程直接控制，可以更快捷设计出“盖柱锥”一体式曲线型旋流器，且内部型线是完整流线更加符合液体流动规律，具有数学理论支撑，能有效减少短路流和循环流的影响，提高分离效率。
[0041]
(3)本发明定义了一种新的旋流器设计思路，实现了根据曲线方程对旋流器内部型线的直接控制，通过调整控制点以适应各种应用情况。曲线型旋流器使得旋流器盖柱锥轮廓平滑连接，一体式型线降低了压力降，减少了循环流和短路流的影响，提高了分离效率。
附图说明
[0042]
图1为本发明的控制点位置示意图；
[0043]
图2为本发明提供的一种单进口样条曲线旋流器的结构示意图；
[0044]
图3为本发明提供的一种单进口贝塞尔曲线旋流器的结构示意图；
[0045]
图4为本发明实施例1中提供的一种双进口贝塞尔曲线旋流器的结构示意图；
[0046]
图5为本发明实施例1中提供的一种双进口样条曲线旋流器的结构示意图；
具体实施方式
[0047]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0048]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0049]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0050]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0051]
需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0052]
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍
微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
[0053]
如图1所示，本发明提供一种一体式曲线型旋流器的设计方法，旋流器的内部型线由控制点确定，控制点的数量不低于4个。
[0054]
作为一种可选的实施方式，所述控制点的数量为4个，采用贝塞尔曲线或样条曲线对各个控制点进行曲线拟合，所述贝塞尔曲线或样条曲线对应的曲线方程的阶数为3阶；
[0055]
第一个控制点为旋流器溢流管与顶盖板交点，第二个控制点为旋流器顶盖板与柱段直线交点，位于以d为直径的顶盖板基圆平面边缘，第三个控制点为旋流器柱段直线和锥段直线交点，第四个控制点为锥段直线尾部端点。
[0056]
作为一种实施方式，所述控制点的数量为5个，采用贝塞尔曲线或样条曲线对各个控制点进行曲线拟合，所述贝塞尔曲线或样条曲线对应的曲线方程的阶数为4 阶；
[0057]
第一个控制点为溢流管插入最深点，第二个控制点为旋流器溢流管与顶盖板交点，第三个控制点为旋流器顶盖板与柱段直线交点，位于以d为直径的顶盖板基圆平面边缘，第四个控制点为旋流器柱段直线和锥段直线交点，第五个控制点为锥段直线尾部端点。
[0058]
进一步地，所述控制点的数量为6个，采用贝塞尔曲线或样条曲线对各个控制点进行曲线拟合，所述贝塞尔曲线或样条曲线对应的曲线方程的阶数为5阶。其中，控制点p1由溢流管插入深度h决定，控制点p2由溢流管半径d1决定，控制点p3由旋流器顶盖板半径d/2决定，通过改变控制点p1、p2控制深度角α，通过改变控制点p2、p3控制顶弧角β，控制点p4由旋流器柱段长度h1决定，控制点p5、p6分别由旋流器锥段a高度h2、角度和锥段b高度h3、角度决定，通过改变控制点 p3、p4控制锥切角γ,通过改变控制点p4、p5控制底弧角δ控制。内部轮廓曲线弧度和长度由深度角α、弧角β、锥切角γ和底弧角δ共同决定。对水力旋流器截面建立坐标系，确定各控制点坐标，从而计算出六点5阶曲线方程，绘制一体式曲线，该曲线可以是贝塞尔曲线或样条曲线，整个型线为一完整整体，每一段均平滑过渡。最后设计好进料管、溢流管和底流管形式、尺寸及插入深度，计算关键参数，通过曲线的旋转等三维操作生成旋流器一体式曲面并添加厚度，形成水力旋流器实体。
[0059]
进一步地，可以采用n次贝塞尔曲线连接各个控制点，所述n次贝塞尔曲线的初始参数方程的表达式为：
[0060][0061][0062]
式中，t为n次贝塞尔曲线的控制值，n为贝塞尔曲线的阶数。
[0063]
进一步地，可以采用k次b样条曲线方程的控制点控制曲线形状，所述k次样条曲线方程表达式为：
[0064][0065]
根据上述方法设计成的一体式曲线型旋流器包括进料管、溢流管、底流管、顶盖板、柱段和锥段a、b。溢流管插入最深点为曲线一端点，锥段b终止点为曲线另一端点，中间部分均光滑过渡，为一完整曲线。
[0066]
在一种优选的实施方式中，内部曲线可以用相关方程进行直接控制，选取6个控制点，把曲线定义为六点五阶贝塞尔曲线，在三维坐标内计算曲线控制方程，其中，六点5阶贝塞尔曲线初始参数方程为：
[0067]
b(t)＝p1(1-t)5 5p2t(1-t)4 10p3t2(1-t)3 10p4t3(1-t)2
[0068]
5p5t4(1-t) p6t5,t∈[0,1]
[0069]
其中，t为六点5阶贝塞尔曲线控制值，一般由两点曲线间弦长确定,通常情况下t满足单调递增。
[0070]
在一种优选的实施方式中，一体式曲线型旋流器相关设计尺寸的确定方法为：
[0071]
入料管直径(0.15-0.36)d(1)
[0072]
锥体角度1-30
°
(2)
[0073]
溢流管直径(0.15-0.5)d(3)
[0074]
溢流管插入深度(0-0.75)d(4)
[0075]
底流口直径(0.1-0.35)d(5)
[0076]
锥比0.15～0.75(6)
[0077]
其中，d为旋流器公称直径。
[0078]
在一种优选的实施方式中，设计好进料管、溢流管和底流管形式、尺寸及插入深度，计算关键参数，通过曲线的旋转等三维操作生成旋流器一体式曲面并添加厚度，形成水力旋流器实体。
[0079]
本发明还提供一种一体式曲线型旋流器，包括进料管、溢流管、底流管、顶盖板、柱段、锥段a和锥段b，所述一体式曲线型旋流器的内部型线采用如上所述的一种一体式曲线型旋流器的设计方法构建，所述内部型线的一端点为溢流管插入最深点，另一端点为锥段b的终止点，所述内部型线为中间部分光滑过渡的完整曲线。
[0080]
进一步地，所述旋流器的溢流管与顶盖板所成角度为深度角α，所述旋流器顶盖板和柱段所成角度为顶弧角β，所述旋流器柱段与第一个锥段所成角度为锥切角γ，所述旋流器第一个锥段与第二个锥段所成角度为底弧角δ。
[0081]
实施例1
[0082]
某电厂除油装置所使用的组合型曲线旋流器组应用了本发明的技术方案，取得了优异的分离效果。在本发明中，水力旋流分离器基本设计参数如下：
[0083]
表1水力旋流分离器设计参数
[0084][0085][0086]
表2单组控制点坐标
[0087][0088]
在本实施例中，通过三维建模软件，对优化后的内缘曲线沿竖直方向向外“偏移”壁厚的距离，即得到水力旋流器锥柱段外缘线，通过建模软件preo/creo对内、外缘线进行“边界混合”、“延伸”、“加厚”等命令即可完成对旋流器的成型建模；此后可根据盖板、进口参数完成盖板及进口的建模。本实施例提供了基于贝塞尔和样条曲线的曲线型旋流器，其优化组合将电厂除油效率从化学方法改造为物理方法为主，分离效率与普通油水分离器相比提高5-10个百分点。压力降减低10％左右。
[0089]
具体设计方法如下：
[0090]
如图4所示一种双进口贝塞尔曲线旋流器的结构示意图，锥段部分多为内凹型，其为3阶贝塞尔曲线方成绘制旋流器流线，控制点p3由旋流器顶盖板半径d/2决定，控制点p4由旋流器柱段长度h1决定，控制点p5、p6分别由旋流器锥段a高度h2、角度和锥段b高度h3、角度决定，通过改变控制点p3、p4控制锥切角γ,通过改变控制点p4、p5控制底弧角δ控制。
[0091]
如图5所示一种双进口样条曲线旋流器的结构示意图，锥段部分多为外凸型，其为3阶样条曲线方成绘制旋流器流线，控制点p3由旋流器顶盖板半径d/2决定，控制点p4由旋流器柱段长度h1决定，控制点p5、p6分别由旋流器锥段a高度h2、角度和锥段b高度h3、角度决定，通过改变控制点p3、p4控制锥切角γ,通过改变控制点p4、p5控制底弧角δ控制。
[0092]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。