本发明涉及化工、石化、轻工、医药、冶金、水处理等生产工艺中流体混合装置内的搅拌桨，具体是一种高效节能的腰鼓型弹簧弹性搅拌桨。
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，可强化流体混沌混合行为。
因此，现有技术中需要一种高效节能的新型弹性搅拌桨搅拌。
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，提供一种高效节能的腰鼓型弹簧弹性搅拌桨。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种高效节能的腰鼓型弹簧弹性搅拌桨，其特征在于：包括搅拌轴、刚性搅拌桨、环和腰鼓型弹簧。
所述搅拌轴为圆柱体结构。
所述搅拌轴的柱体外壁上固定连接有若干个刚性搅拌桨。若干个所述刚性搅拌桨将搅拌桨分为至少两层，每层上的刚性搅拌桨在搅拌轴的截面上呈辐射状均匀分布。每层上的刚性搅拌桨的数量相等。
每一个所述刚性搅拌桨的一端与搅拌轴固定相连、另一端开有通孔。所述通孔内连接一个环。所述环为闭合的圆环状结构。
相邻层的两个刚性搅拌桨通过腰鼓型弹簧进行连接，所述腰鼓型弹簧的两端分别与相邻层上任意一个刚性搅拌桨的环相连。每一个环内均有腰鼓型弹簧的一端穿过。
当刚性搅拌桨的层数为两层时，所述上层和下层上的环内均连接一条腰鼓型弹簧的端点。
当刚性搅拌桨层数不小于三层时，所述上层和下层上的环内连接一条腰鼓型弹簧的端点、中层上的环内连接两条腰鼓型弹簧的端点。
所述刚性搅拌桨的层数为a、每层的数量为b。所述环的数量为m，所述腰鼓型弹簧的数量为n。m＝a×b，n＝(a-1)×b。
一种高效节能的腰鼓型弹簧弹性搅拌桨，其特征在于：包括搅拌轴、刚性搅拌桨、环、腰鼓型弹簧和连接装置。
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，所述连接装置固定在搅拌轴上。
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两个。所述搅拌轴至少被连接装置分为两层。
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腰鼓型弹簧进行连接。所述腰鼓型弹簧的两端分别与相邻层上任意一个刚性搅拌桨的环相连。每一个环内均有腰鼓型弹簧的一端穿过。
当刚性搅拌桨的层数为两层时，所述上层和下层上的环内均连接一条腰鼓型弹簧的端点。
当刚性搅拌桨的层数不小于三层时，所述上层和下层上的环内连接一条腰鼓型弹簧的端点、中层上的环内连接两条腰鼓型弹簧的端点。
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。所述腰鼓型弹簧的数量为n，n＝(x-1)×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，所述刚性搅拌桨的直径为d，所述腰鼓型弹簧的最大直径为d，d＝(1/40～1/20)×d。
进一步，所述腰鼓型弹簧的整体结构上的最大直径是最小直径的1.5～2.5倍。
进一步，所述腰鼓型弹簧的材料线径在0.5～1.0mm。
进一步，所述腰鼓型弹簧的间距是2～5mm。
进一步，所述腰鼓型弹簧的轴向长度为l。相邻层的刚性搅拌桨中，上层刚性搅拌桨下边沿到下层刚性搅拌桨上边沿之间的距离为s。l＝(0.8～1.4)×s。
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。
进一步，所述腰鼓型弹簧的材质包括碳素弹簧钢丝、热轧弹簧钢、硅锰弹簧钢丝、铬钒弹簧钢丝或不锈钢弹簧钢丝。
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，提出了弹簧式弹性搅拌桨，该桨在旋转过程中，腰鼓型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和多体运动，增加流体的湍动程度，更好的传递桨叶能量，增大桨叶能量利用率；且流体穿过腰鼓型弹簧后被弹簧切割成丝状，更好的破坏流体的混合隔离区，提高流体的混合效率，并且能够节省装置成本。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明具有以下优点：
1)本发明中的桨在旋转过程中，腰鼓型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和多体运动，增加流体的湍动程度，更好的传递桨叶能量，增大桨叶能量利用率；
2)流体穿过腰鼓型弹簧后被弹率，并且簧切割成丝状，更好的破坏流体的混合隔离区，提高流体的混合效率；
3)本发明中的桨能够节省装置成本。
附图说明
图1本发明的新型弹簧式刚柔组合搅拌桨的搅拌装置示意图；
图2本发明的新型弹簧式刚柔组合搅拌桨结构示意图；
图3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和腰鼓型弹簧6。
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：
一种高效节能的腰鼓型弹簧弹性搅拌桨，其特征在于：包括搅拌轴2、刚性搅拌桨4、环5和腰鼓型弹簧6。
所述搅拌轴2为圆柱体结构。
所述搅拌轴2的柱体外壁上固定连接有若干个刚性搅拌桨4。若干个所述刚性搅拌桨4将搅拌桨2分为至少两层，每层上的刚性搅拌桨4在搅拌轴2的截面上呈辐射状均匀分布。每层上的刚性搅拌桨4的数量相等。
每一个所述刚性搅拌桨4的一端与搅拌轴2固定相连、另一端开有通孔。所述通孔内连接一个环5。所述环5为闭合的圆环状结构。
相邻层的两个刚性搅拌桨4通过腰鼓型弹簧6进行连接，所述腰鼓型弹簧6的两端分别与相邻层上任意一个刚性搅拌桨4的环5相连。每一个环5内均有腰鼓型弹簧6的一端穿过。
当刚性搅拌桨4的层数为两层时，所述上层和下层上的环5内均连接一条腰鼓型弹簧6的端点。
当刚性搅拌桨4层数不小于三层时，所述上层和下层上的环5内连接一条腰鼓型弹簧6的端点、中层上的环5内连接两条腰鼓型弹簧6的端点。
所述刚性搅拌桨4的层数为a、每层的数量为b。所述环5的数量为m，所述腰鼓型弹簧6的数量为n。m＝a×b，n＝(a-1)×b。
搅拌桨通过电机1的带动在搅拌槽3内进行转动。
所述腰鼓型弹簧6的材质包括碳素弹簧钢丝、热轧弹簧钢、硅锰弹簧钢丝、铬钒弹簧钢丝或不锈钢弹簧钢丝。
实施例2：
如图1和图2所示，一种高效节能的腰鼓型弹簧弹性搅拌桨，其特征在于：包括搅拌轴2、刚性搅拌桨4、环5、腰鼓型弹簧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固定在搅拌轴2上。
所述搅拌轴2的外壁上套有两个连接装置7。所述搅拌轴2被连接装置7分为两层。
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通过腰鼓型弹簧6进行连接。所述腰鼓型弹簧6的两端分别与相邻层上任意一个刚性搅拌桨4的环5相连。每一个环5内均有腰鼓型弹簧6的一端穿过。
所述上层和下层上的环5内均连接一条腰鼓型弹簧6的端点。
所述连接装置7的数量为x，每个所述连接装置7上刚性搅拌桨的数量为y。所述环5的数量为m，m＝x×y＝2×3＝6。所述腰鼓型弹簧6的数量为n，n＝(x-1)×y＝(2-1)×3＝3。
搅拌桨通过电机1的带动在搅拌槽3内进行转动。
所述腰鼓型弹簧6的材质包括碳素弹簧钢丝、热轧弹簧钢、硅锰弹簧钢丝、铬钒弹簧钢丝或不锈钢弹簧钢丝。
实施例3：
如实施例2中所述的一种高效节能的腰鼓型弹簧弹性搅拌桨，其数值如下所示：
①所述刚性搅拌桨4的直径为d，所述腰鼓型弹簧6的最大直径为d，d＝(1/40～1/20)×d。
当腰鼓型弹簧6的最大直径过小，有利于腰鼓型弹簧6发生扭转或抖动，但传递能量的能力较差；
当腰鼓型弹簧6的最大直径过大，不利于腰鼓型弹簧6发生扭转或抖动，传递能量的能力下降。
所述腰鼓型弹簧6的最大直径为d，当d是d的1/40～1/20，体系能够获取较好的混合效果。
②所述腰鼓型弹簧6的整体结构上的最大直径是最小直径的1.5～2.5倍。
当腰鼓型弹簧6的最大直径过小，支撑面过小，不利于固体颗粒穿透弹簧；
当腰鼓型弹簧6的最大直径过大，支撑面过大，桨叶“横扫”范围减小，但是腰鼓型弹簧6的不容易发生抖动，传递能量的能力下降；
所述腰鼓型弹簧6的直径为d，当最大直径dmax是最小直径dmin的1.5～2.5，体系能够获取较好的混合效果。
③所述腰鼓型弹簧6的轴向长度为l。相邻层的刚性搅拌桨4中，上层刚性搅拌桨4下边沿到下层刚性搅拌桨4上边沿之间的距离为s。l＝(0.8～1.4)×s。
当腰鼓型弹簧6长度过短，桨叶“横扫”范围减小，腰鼓型弹簧6的抖动行为减弱，难以将桨叶能量传递到流场远处；
当腰鼓型弹簧6长度过长，桨叶“横扫”范围增大，腰鼓型弹簧6的抖动行为增加，但桨叶转动阻力增大；
当腰鼓型弹簧6长度是上层刚性搅拌桨下边沿和下层刚性搅拌桨上边沿之间距离的0.8～1.4倍，体系的混合效果较好。
④所述腰鼓型弹簧6的间距是2～5mm。
当间距过大，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；
而间距过小，消耗于流体与弹簧钢丝的摩擦能量增大，能量利用率下降；
所述腰鼓型弹簧6间距为2～5mm时，体系的物料混合效果较好。
⑤所述腰鼓型弹簧6的材料线径在0.5～1.0mm。
所述腰鼓型弹簧6的弹簧材料直径不低于0.5mm，且厚度应当是有上限的，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，直径可选用稍薄一些；对于固液两相，直径可选用稍大一些。
当腰鼓型弹簧6的弹簧材料直径过小，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；
当腰鼓型弹簧6的弹簧材料直径过大，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；
所述弹簧柔性片6的弹簧材料直径的选择应当保证腰鼓型弹簧6能够出现抖动但分散能力又不会太弱。
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4：
将实施例2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结构槽；所述槽径为0.19m，槽高为0.3m；
所述搅拌槽3内的溶液为1％的羧甲基纤维素钠溶液；液体高度0.22m；
所述搅拌转速210rpm；
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。实验结果见表1。
表1混合时间对比实验
从表1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所示的现有技术中的钢丝型刚柔组合搅拌桨相比，体系的混合时间大大缩短。