本发明涉及搅拌桨领域，具体是一种提高流体混合效果的新型弹性搅拌桨。
背景技术：
机械搅拌反应器广泛应用于化工、石化、轻工、医药、冶金、水处理等行业中，其工作原理是通过搅拌桨的旋转向搅拌槽内混合体系输入机械能，强化反应过程的传热和传质，提高生产效率。
搅拌桨作为搅拌反应器的重要核心部件之一，它能够向流体给予所需的适宜能量，从而促使流场多尺度结构的演化、形成、位移及多尺度流场结构间能量和物质的传递，但搅拌反应器通过搅拌桨向流场输入的总机械量真正用于流体内部混合的不到5％，经常需要通过增大搅拌转速来达到所需的混合状态。
研究表明，传统刚性搅拌桨在流场中易形成混沌混合区与混合隔离区，且混沌混合区与混合隔离区之间存在着较为稳定的流场结构界面，流场结构之间没有充分混合，导致搅拌反应器内的流体混合效率较低。
研究发现，柔性体在流场中可形成明显不同于刚性桨的涡结构，其多尺度流场结构不稳定性增强，可破坏流场中混合隔离区内外的结构界面，强化流体混沌混合行为，提高流体混合效果。
因此，现有技术中亟需一种提高流体混合效果的新型弹性搅拌桨。
技术实现要素：
本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种提高流体混合效果的新型弹性搅拌桨。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种提高流体混合效果的新型弹性搅拌桨，其特征在于，包括搅拌轴、刚性搅拌桨、环、弹簧和连接装置。
所述搅拌轴为圆柱体结构。
所述连接装置为上下开口且内中空的圆柱体结构。所述连接装置套在搅拌轴上。所述连接装置的内径与搅拌轴的外径相契合，所述连接装置能够在搅拌轴上固定、也能够在搅拌轴上自由滑动。
所述搅拌轴的外壁上套有若干个连接装置。所述连接装置的数量不少于三个。所述搅拌轴至少被连接装置分为三层。所述搅拌轴的上层和下层上的连接装置固定在搅拌轴的外壁上。所述搅拌轴的中层上的连接装置在搅拌轴的外壁上滑动。
每一个所述连接装置的圆柱体外壁上均匀连接有若干个刚性搅拌桨，从整体上看，所述刚性搅拌桨在连接装置的外壁上呈辐射状分布。所述连接装置上的刚性搅拌桨数量相等且初始位置对应。
每一个所述刚性搅拌桨的一端与连接装置相连，另一端开有通孔，通孔内连接一个环。所述环为闭合的圆环状结构。
相邻层的连接装置通过弹簧进行连接。所述弹簧的两端分别连接相邻层初始位置对应的刚性搅拌桨上的环。所述上层和下层上的环内连接一条弹簧的端点，所述中层上的环内连接两条弹簧的端点。所述弹簧为整体结构呈圆柱体的螺旋压缩弹簧。
所述连接装置的数量为x，每个所述连接装置上刚性搅拌桨的数量为y。所述环的数量为m，m＝x×y。所述弹簧的数量为n，n＝(x-)×y。
进一步，搅拌桨通过电机的带动在搅拌槽内进行转动。
进一步，在初始状态时，所述连接装置在搅拌轴的外壁上等距离分布。
进一步，所述弹簧的材质包括碳素弹簧钢丝、硅锰弹簧钢丝、钒铬弹簧钢丝或不锈钢弹簧钢丝。
进一步，在初始状态时，所述弹簧的长度为l，所述上层刚性搅拌桨的下边沿与相邻的中层刚性搅拌桨的上边沿之间的距离为s，l＝(0.75～1.2)×s。
进一步，所述弹簧的线径d＝0.3～2mm，所述弹簧的节距t＝2～5mm。
进一步，所述刚性搅拌桨的桨叶长度为q，d＝(1/30～1/10)×q。
进一步，所述刚性搅拌桨的桨叶直径为d，d＝(1/40～1/10)×d。
进一步，所述环的直径为φ，所述刚性搅拌桨的桨叶长度为w，φ＝(1/30～1/10)×w。
值得说明的是，本发明技术在已有技术的基础上，进一步对搅拌桨的结构进行优化，提出弹簧型刚柔组合搅拌桨，在搅拌过程中利用弹簧的柔性和弹性两个特性强化流体混合。
与现有技术相比，本发明的新型弹性搅拌桨中连接三层刚性桨的圆柱螺旋压缩弹簧在搅拌轴和流体的相互作用下，能够不断地作伸缩运动，使中间层的刚性桨在随搅拌轴转动的同时还能上下滑动，破坏流体的混合隔离区，提高流体的湍动程度，增大流体的混沌混合程度。
同时，圆柱螺旋压缩弹簧本身具有一定的柔性，在搅拌的过程中做多体运动，能更加有效的破坏搅拌槽中流体较为稳定的结构界面，达到混沌混合的目的。
另外，弹簧本身的螺旋圈状结构使得对流体的切割作用更强，也在一定程度上能增强稳定结构界面的破坏效果。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明具有以下优点：
本发明中的桨在旋转过程中，圆柱螺旋压缩弹簧在搅拌轴和流体的相互作用下，能够不断地作收缩运动，使中间层的刚性桨在随搅拌轴转动的同时还能上下滑动，破坏流体的混合隔离区，提高流体的湍动程度，增大流体的混沌混合程度。同时，圆柱螺旋压缩弹簧本身的结构特点使得对流体的切割作用更强，能更加有效的破坏搅拌槽中流体较为稳定的结构界面。
附图说明
图1为本发明的新型刚柔组合搅拌桨的搅拌装置示意图；
图2为本发明的新型刚柔组合搅拌桨结构示意图；
图3为现有技术搅拌桨的结构示意图。
图中：电机1、搅拌轴2、搅拌槽3、刚性搅拌桨4、环5、弹簧6和连接装置7。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
如图1和图2所示，一种提高流体混合效果的新型弹性搅拌桨，其特征在于，包括搅拌轴2、刚性搅拌桨4、环5、弹簧6和连接装置7。
所述搅拌轴2为圆柱体结构。
所述连接装置7为上下开口且内中空的圆柱体结构。所述连接装置7套在搅拌轴2上。所述连接装置7的内径与搅拌轴2的外径相契合，所述连接装置7能够在搅拌轴2上固定、也能够在搅拌轴2上自由滑动。
所述搅拌轴2的外壁上套有三个连接装置7。所述搅拌轴2被连接装置7分为三层。所述搅拌轴2的上层和下层上的连接装置7固定在搅拌轴2的外壁上。所述搅拌轴2的中层上的连接装置7在搅拌轴2的外壁上滑动。
每一个所述连接装置7的圆柱体外壁上均匀连接有三个刚性搅拌桨4，从整体上看，所述刚性搅拌桨4在连接装置7的外壁上呈辐射状分布。所述连接装置7上的刚性搅拌桨4数量相等且初始位置对应。
每一个所述刚性搅拌桨4的一端与连接装置7相连，另一端开有通孔，通孔内连接一个环5。所述环5为闭合的圆环状结构。
相邻层的连接装置7通过弹簧6进行连接。所述弹簧6的两端分别连接相邻层初始位置对应的刚性搅拌桨4上的环5。所述上层和下层上的环5内连接一条弹簧6的端点，所述中层上的环5内连接两条弹簧6的端点。所述弹簧6为整体结构呈圆柱体的螺旋压缩弹簧。
所述连接装置7的数量为x＝3，每个所述连接装置7上刚性搅拌桨的数量为y＝3。所述环的数量为m，m＝x×y＝9。所述弹簧6的数量为n，n＝(x-1)×y＝6。
搅拌桨通过电机1的带动在搅拌槽3内进行转动。
在初始状态时，所述连接装置7在搅拌轴2的外壁上等距离分布。
所述弹簧6的材质包括碳素弹簧钢丝、硅锰弹簧钢丝、钒铬弹簧钢丝或不锈钢弹簧钢丝。
本实施例中在现有的刚柔组合桨的基础之上，把现有的柔性钢丝改为圆柱螺旋压缩弹簧，从而使刚柔组合搅拌桨变成弹性搅拌桨。弹性搅拌桨在旋转过程中，连接三层刚性桨的圆柱螺旋压缩弹簧在搅拌轴和流体的相互作用下，能够不断地作收缩运动，使中间层的刚性桨在随搅拌轴转动的同时还能上下滑动，破坏流体的混合隔离区，提高流体的湍动程度，增大流体的混沌混合程度。同时，圆柱螺旋压缩弹簧本身的结构特点使得对流体的切割作用更强，能更加有效的破坏搅拌槽中流体较为稳定的结构界面。
实施例2：
如实施例1中所述的一种提高流体混合效果的新型弹性搅拌桨，其数值如下所示：
①在初始状态时，所述弹簧6的长度为l，所述上层刚性搅拌桨4的下边沿与相邻的中层刚性搅拌桨4的上边沿之间的距离为s，l＝(0.75～1.2)×s。
当所述弹簧6的长度过短，桨叶“横扫”范围减小，弹簧的抖动行为减弱，难以将桨叶能量传递到流场远处；
当所述弹簧6的长度过长，桨叶“横扫”范围增大，弹簧的抖动行为增加，但桨叶转动阻力增大。
当所述弹簧6的长度l＝(0.75～1.2)×s，体系的混合效果较好。
②所述弹簧6的线径d＝0.3～2mm。
所述弹簧6的线直径不低于0.3mm，且线直径应当是有上限的，这需根据混合体系的不同进行选择；例如，对于单相或气液两相，线直径可选用稍小一些；对于固液两相，线直径可选用稍大一些。
当弹簧6的线直径过小，它的抖动能力增强，但它对桨叶附近流体的分散能力减弱，混合效果变差；
当弹簧6的线直径过大，它对桨叶附近流体的分散能力增强，但它的抖动能力减弱，转动阻力增加。
所述弹簧6的线直径的选择应当保证弹簧6能够出现抖动但分散能力又不会太弱。
③所述弹簧6的节距t＝2～5mm。
当节距过大，没有足够的剪切应力，也会降低主体对流扩散量，不能在全槽范围内将固体颗粒完全悬浮；
而节距过小，消耗于流体与弹簧钢丝的摩擦能量增大，能量利用率下降。
当所述弹簧6的节距t＝2～5mm时，体系的物料混合效果较好。
④所述刚性搅拌桨4的桨叶长度为q，d＝(1/30～1/10)×q。
⑤所述刚性搅拌桨4的桨叶直径为d，d＝(1/40～1/10)×d。
通过研究发现，当所述弹簧6的直径过小，有利于弹簧发生扭转或抖动，但传递能量的能力较差；
当所述弹簧6的直径过大，不利于弹簧发生扭转或抖动，但传递能量的能力较强。
当d＝(1/40～1/10)×d，体系能够获取较好的混合效果。
⑥所述环5的直径为φ，所述刚性搅拌桨4的桨叶长度为w，φ＝(1/30～1/10)×w。
实施例3：
将实施例1中的搅拌桨进行性能测试：
所述搅拌轴2由电机1驱动，并伸入搅拌槽3中旋转。
所述搅拌槽3为一端敞口一端闭合的中空圆柱体槽；所述搅拌槽3的直径为0.19m，槽高为0.30m；
所述搅拌槽3内的溶液为0.8％的羧甲基纤维素钠溶液，液体高度0.20m；
所述搅拌转速120rpm；
通过酸碱脱色实验测定混合时间，以此表征搅拌桨的混合性能。实验结果如表1所示。
表1
从表1中的实验结果可以看出，在相同搅拌转速条件下，本发明公开的弹性搅拌桨与如图3所示的现有技术相比，体系的混合时间缩短了86％。