李玉朵 張銥鈖 蔡業(yè)彬 王美茹 楊志云

(1. 太原理工大學(xué)；2. 廣東石油化工學(xué)院)

工業(yè)油罐清洗三維旋轉(zhuǎn)噴射槍結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)*

李玉朵**1,2張銥鈖1蔡業(yè)彬2王美茹1,2楊志云1,2

(1. 太原理工大學(xué)；2. 廣東石油化工學(xué)院)

介紹了噴射槍的基本結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)原理和清洗方式，針對現(xiàn)有噴射槍存在的主要缺點(diǎn)，將其噴桿運(yùn)動(dòng)改進(jìn)為噴射槍內(nèi)部雙軸運(yùn)動(dòng)、單一清洗方式改進(jìn)為多種清洗模式，并對其噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，形成新噴射槍。實(shí)際應(yīng)用說明改進(jìn)后的噴射槍可以縮短清洗周期。

噴射槍 工業(yè)油罐 噴嘴 高壓水射流清洗技術(shù)

高壓水射流清洗技術(shù)是一種高聚能、速度快、效率高、成本低、無腐蝕、無污染且不損害被清洗表面的物理清洗方法，自20世紀(jì)70年代末中國引入該項(xiàng)技術(shù)以來，至今已形成一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)鏈。隨著中石油、中石化和國儲基地強(qiáng)制要求全部儲油罐必須進(jìn)行機(jī)械清洗[1]，其他各大小型企業(yè)公司的儲油罐也必將迎來機(jī)械清洗的高峰。文獻(xiàn)[2]表明以往的噴射槍具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、不易操作、價(jià)格昂貴及噴桿或軟管極易損壞等缺陷。為此，筆者設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、效率高、價(jià)格便宜且通用性好的噴射槍。

1 噴射槍的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式

噴射槍由氣動(dòng)馬達(dá)、齒輪箱、離合器、桿軸、管軸、旋轉(zhuǎn)接頭、傘齒輪副和噴頭構(gòu)成[3]，其機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理為：氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)齒輪箱轉(zhuǎn)動(dòng)[4]，齒輪箱分別帶動(dòng)桿軸和管軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；管軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)接頭在0～360°的水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)接頭帶動(dòng)噴頭也在0～360°的水平面內(nèi)做公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；桿軸帶動(dòng)傘齒輪副轉(zhuǎn)動(dòng)，傘齒輪副帶動(dòng)噴頭在0～140°的斜平面內(nèi)做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。離合器的離與合決定了桿軸是否運(yùn)動(dòng)。噴頭既做公轉(zhuǎn)又做自轉(zhuǎn)時(shí)，噴頭就在兩個(gè)不同的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，形成近似為半球面的運(yùn)動(dòng)軌跡。

旋轉(zhuǎn)射流是指射流噴嘴不旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的具有三維速度、沿螺旋線軌跡運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)散式射流[5]，其外形是明顯擴(kuò)張的喇叭狀，具有明顯的擴(kuò)散能力和卷吸周圍介質(zhì)參與流動(dòng)的能力，并能夠形成較大的沖擊面積，產(chǎn)生良好的霧化效果。

旋轉(zhuǎn)噴頭則是噴頭本身旋轉(zhuǎn)，從噴嘴噴出的射流除了具有一定的旋轉(zhuǎn)射流功能外[6]，更具有旋轉(zhuǎn)特性。旋轉(zhuǎn)噴頭按照驅(qū)動(dòng)方式的不同，可分為自動(dòng)旋轉(zhuǎn)噴頭和強(qiáng)制旋轉(zhuǎn)噴頭；按照空間維數(shù)的不同，可分為平面型旋轉(zhuǎn)噴頭和空間型旋轉(zhuǎn)噴頭。

噴射槍的噴頭屬于強(qiáng)制、空間型旋轉(zhuǎn)噴頭，其轉(zhuǎn)速嚴(yán)格可調(diào)。文獻(xiàn)[7]詳細(xì)介紹了噴射槍公轉(zhuǎn)速度和自轉(zhuǎn)速度的大小和作用。只有合理選擇公轉(zhuǎn)速度和自轉(zhuǎn)速度，才能同時(shí)保證水射流既能凝聚、不散射、不霧化，又能覆蓋所有待清洗表面，從而達(dá)到水流沖擊力在罐壁上作用的時(shí)間最合適、清洗效率最高的目的。筆者自行設(shè)計(jì)的噴射槍基本運(yùn)動(dòng)參數(shù)有：管軸回轉(zhuǎn)速度為0.5～1.0r/min，噴嘴垂直升降速度為0.007r/min，噴嘴往復(fù)一個(gè)行程為111轉(zhuǎn)。

2 噴射槍的清洗方式

噴嘴的上下移動(dòng)角度通過上下行程開關(guān)調(diào)節(jié)螺桿控制，可在0～140°范圍內(nèi)任意選取，其常用清洗方式有[1]：全面清洗，0～140°；清洗底板，45～100°；清洗頂板，100～140°。如果某區(qū)域的污垢堅(jiān)硬難以清除，可以針對性地調(diào)節(jié)噴射槍的角度(圖1)，以使清洗效果最好，從而有效地縮短清洗時(shí)間。

圖1 噴射槍清洗范圍和擺角調(diào)節(jié)

3 噴射槍的改進(jìn)

從旋轉(zhuǎn)噴頭的分類上劃分，現(xiàn)有噴射槍屬于二維強(qiáng)制型旋轉(zhuǎn)噴頭，依靠機(jī)械或液壓馬達(dá)、氣壓馬達(dá)帶動(dòng)噴桿或帶有噴頭的噴管旋轉(zhuǎn)并送進(jìn)[8]，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要缺點(diǎn)是應(yīng)用范圍窄、清洗方式單一、送進(jìn)速度調(diào)節(jié)困難、噴桿易腐蝕磨損及噴嘴結(jié)構(gòu)缺少明確的資料介紹等。針對上述缺點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了新的噴射槍(圖3)。

圖2 現(xiàn)有的二維強(qiáng)制型旋轉(zhuǎn)噴射槍1——控制閥； 2——旋轉(zhuǎn)接頭； 3——噴嘴總成；4——齒輪箱； 5——?dú)鈩?dòng)馬達(dá)； 6——旋轉(zhuǎn)速度控制閥

圖3 新設(shè)計(jì)的自動(dòng)清洗噴射槍整體結(jié)構(gòu)1——?dú)鈩?dòng)馬達(dá)； 2——主動(dòng)齒輪； 3——齒輪箱； 4——主動(dòng)軸； 5——噴射槍套管； 6——帶導(dǎo)流孔的軸承； 7——水平旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)座； 8——導(dǎo)流孔； 9——傘齒輪； 10——帶導(dǎo)流孔的從動(dòng)斜齒輪；11——連接塊； 12——噴嘴；13——角向旋轉(zhuǎn)軸；14——入口法蘭；15——水平旋轉(zhuǎn)軸；16——從動(dòng)齒輪；17——?dú)鈩?dòng)控制模塊； 18——離合器控制按鈕；19——電磁離合器

3.1噴桿運(yùn)動(dòng)方式改進(jìn)

現(xiàn)有噴射槍僅隨噴桿做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此其運(yùn)動(dòng)軌跡是一系列以偏心距為半徑的圓包絡(luò)面[9]，具有重復(fù)性，清洗周期長，容易造成能源浪費(fèi)，且僅適用于平面清洗，清洗范圍窄。新噴射槍采用內(nèi)部雙軸傳動(dòng)，使噴頭既做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡近似為半球面[3]。新噴射槍適用于平面清洗和空間清洗，清洗范圍擴(kuò)大，省去了送進(jìn)裝置。依據(jù)新噴射槍的參數(shù)做如下分析：若噴嘴每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)一周，則噴嘴公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的比值為360/2.52=142.857 142 9…，由此可知公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的差速比是無理數(shù)，流體運(yùn)動(dòng)軌跡永遠(yuǎn)不封閉，即起點(diǎn)和終點(diǎn)始終不重合，有效地縮短了清洗周期，提高了清洗效率。

3.2清洗模式改進(jìn)

現(xiàn)有噴射槍只有一種清洗方式，且不能根據(jù)清洗工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，而新噴射槍克服了這一缺點(diǎn)，在其結(jié)構(gòu)上設(shè)有上下行程開關(guān)調(diào)節(jié)螺桿和角度螺桿，可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)從而確定清洗模式，常用的清洗模式有3種：全面清洗、罐底清洗和罐頂清洗。

4 噴嘴結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算與分析

筆者采用理論計(jì)算、Gambit建模網(wǎng)格劃分軟件和Fluent流體分析軟件對新噴射槍的噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。噴嘴是將高壓水靜壓強(qiáng)轉(zhuǎn)化為水動(dòng)能的直接元件，其結(jié)構(gòu)是否合理直接影響著清洗效率、清洗質(zhì)量和清洗周期。因此應(yīng)根據(jù)射流作業(yè)的要求合理選擇噴嘴類型。工業(yè)清洗領(lǐng)域一般選用圓柱形噴嘴[8]，其具有結(jié)構(gòu)簡單和清洗效率高的優(yōu)點(diǎn)。噴嘴的主要幾何參數(shù)有：噴嘴出口直徑d、收縮角α(一般取12～14°)和長徑比l/d。新設(shè)計(jì)的噴嘴結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 新設(shè)計(jì)的噴嘴結(jié)構(gòu)

噴嘴出口直徑d的計(jì)算式為[10]：

(2)

式中p——射流壓力，MPa；

q——射流的體積流量，L/min；

μ——噴嘴的流量系數(shù)，對于圓柱形噴嘴，一般取0.95。

清洗破碎油泥、罐壁和罐底的射流是一種低壓大流量的沖擊射流，因此新噴射槍的噴嘴幾何參數(shù)為：p=0.4～1.0MPa，q=633～1 583L/min，d=28mm。將相應(yīng)的參數(shù)代入式(2)可得：

由此可知噴嘴出口直徑d的取值范圍為17.8～35.4mm，故本設(shè)計(jì)中取噴嘴直徑d=28mm具有合理性。

噴嘴出口速度v與射流壓力p的關(guān)系為[11]：

v=44.72p1/2

(3)

取射流壓力p為1.0MPa，將其代入式(3)，得到v=44.72m/s。通過Gambit建模和Fluent分析可得噴嘴內(nèi)流體速度沿水平軸線的等值云圖和軌跡線(圖5)。由圖5可知：在噴嘴截面積不變的區(qū)域，流體速度基本保持不變；在噴嘴截面積驟縮區(qū)域，流體的速度迅速增大；噴嘴出口速度大小與公式計(jì)算得到的速度大小一致。

a. 等值云圖

b. 軌跡線圖5 噴嘴內(nèi)流體速度沿水平軸線 的等值云圖和軌跡線

改進(jìn)后的三維旋轉(zhuǎn)噴射槍已成功應(yīng)用于國內(nèi)某些石化公司原油儲罐的機(jī)械清洗工程中，縮短了清洗周期，提高了油罐的運(yùn)轉(zhuǎn)能力。

5 結(jié)論

5.1改進(jìn)后的噴射槍在結(jié)構(gòu)上上下行程開關(guān)調(diào)節(jié)螺桿實(shí)現(xiàn)了清洗范圍的可控性，優(yōu)化出了3種高效的清洗模式，有效地縮短清洗周期；角度螺桿可實(shí)現(xiàn)任意調(diào)節(jié)噴射槍角度，能針對性地清洗某一特殊位置。

5.2噴射槍的雙軸傳動(dòng)保證了公轉(zhuǎn)速度和自轉(zhuǎn)速度的獨(dú)立存在和獨(dú)立調(diào)節(jié)，優(yōu)化了流體的運(yùn)動(dòng)軌跡，有效提高清洗效率。

5.3通過Gambit建模和Fluent分析可知，新設(shè)計(jì)的噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，且通用性良好。

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ImprovementDesignof3DRotatingSprayingGunStructureinCleaningOil-tanks

LI Yu-duo1,2, ZHANG Yi-fen1, CAI Ye-bin2, WANG Mei-ru1,2,YANG Zhi-yun1,2

(1.TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China; 2.GuangdongUniversityofPetrochemicalTechnology,Maomin525000,China)

The basic constitution, working principle and parameters as well as the operating mode of the spraying gun were described. Aiming at the existing gun’s major defects, the spraying bar was changed into biaxial transmission and the multi-mode cleaning were employed, including analysis and design of the new jet nozzle for spraying guns. Its application shows that the improved spraying gun can shorten the cleaning period.

spraying gun, industrial oil tank,jet nozzle,high pressure water jet technology

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61174113)，國家科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(12C26214405347)，廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(8152500002000011)，廣東省教育廳科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2012KJCX0076)。

** 李玉朵，女，1990年1月生，碩士研究生。山西省太原市，030024。

TQ051.21

A

0254-6094(2015)02-0207-04

2014-05-22，

2014-06-09)