一种水力旋流器及其入口结构参数的确定方法与流程

本发明涉及矿物加工分级水力旋流器，特别是涉及一种水力旋流器及其入口结构参数的确定方法。

背景技术：

水力旋流器作为利用离心惯性力与重力复合力场的典型设备之一，因其结构简单，使用成本低，处理量大，占地面积小等优点广泛应用于矿物加工、环保、化工、食品和药剂生产等领域的固-固、固-液、液-液、固-气等分离过程，就矿物加工领域而言，水力旋流器广泛应用于分级、脱泥、浓缩、澄清、洗矿和选别等作业。

入口结构是物料进入水力旋流器的首要通道，入口结构对旋流器分离过程的影响主要有三点：1、旋流器的压力损失，即旋流器的工作能耗；2、旋流器的物理磨损，即待分离物料对旋流器壁的磨损；3、旋流器的流场稳定性，即旋流器的分离精度。满足以上三点，就要求旋流器入口平滑均匀，无凸起、台阶和突变等，入口结构的优劣是决定水力旋流器的寿命、流场分布及分离性能的关键因素之一。

当前水力旋流器最常用的入口结构有切线型、渐开线型和阿基米德螺线型，而这些入口结构都或多或少的存在着一些问题，如切线型虽然加工简单，但流场稳定性差；阿基米德螺线型虽然流场稳定性稍好，但加工较为复杂；渐开线型介于二者之间。因此，有必要设计一种更好的水力旋流器，以解决上述问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种水力旋流器及其入口结构参数的确定方法，上述水力旋流器的入口结构平滑均匀，无凸起、台阶和突变，易于加工且能满足耗能、磨损、稳定性的要求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种水力旋流器，包括空腔体，所述空腔体的两端开口设置，所述空腔体包括柱段和锥段相互连接，所述柱段的端部开口处插设有溢流管，于该开口旁侧设有入口结构，所述锥段的端部开口处设有沉沙嘴段，所述入口结构形成与所述柱段平滑相切的曲线，所述曲线包括位于所述柱段入口处两侧、分别与所述柱段外圆相切的第一圆弧段和第二圆弧段，所述第一圆弧段延伸超出所述入口一段距离，所述第二圆弧段远离所述柱段外圆的一端连接有第三圆弧段，所述第三圆弧段与所述第二圆弧段相切，所述第三圆弧段末端延伸超出所述入口一段距离，所述第三圆弧段、所述第二圆弧段及所述第一圆弧段共同形成入口通道，与所述柱段相连通。

进一步，所述第一圆弧段与所述柱段外圆相内切，所述第二圆弧段与所述柱段外圆相外切。

进一步，所述第三圆弧段与所述第二圆弧段向内切，所述第三圆弧段的直径与所述柱段外圆的直径相等。

一种基于上述水力旋流器的入口结构参数的确定方法，包括：

步骤一：确定所述柱段的有效直径为d₁，溢流管外径为d₂，所述柱段和所述溢流管共同的圆心P₁(x₁，y₁)，以P₁为圆心，分别以d₁、d₂为直径画圆D₁、D₂；

步骤二：以P₂(x₁-(d₁-d₂)/2，y₁)为圆心，以d₃＝(d₁+(d₁-d₂)＝2d₁-d₂)为直径画入口外廓圆D₃；

步骤三：以P₁为圆心，以d₄＝(1+k)d₁为直径画辅助圆D₄，其中k为修正系数，取1/20～1/30；

步骤四：以P₂为圆心，以d₁为直径画入口內廓圆D₅，D₅与D₄在Y轴正方向交点为P₄；

步骤五：画经P₄点、且同时与D₁、D₅相切的小圆D₆，以平滑连接D₁与D₅；

步骤六：在超出D₁的范围，取D3与D5的一段切线，切线的端部形成入口，D₃、D₁、D₆及D₅的连线与D₂之间形成入口通道，共同形成所述入口结构。

进一步，D₃与D₁在X轴正方向的切点为P₃，剪切P₃与D₆之间的D₁圆弧段。

进一步，剪切P₃与D₃切线之间的D₃圆弧段。

进一步，剪切P₄与D₅切线之间的D₅圆弧段。

本发明的有益效果：

本发明的水力旋流器，其入口结构的曲线均为相切设计，因此可以满足均匀光滑、无凸起的要求，且该入口结构仅与水力旋流器的柱段有效直径及溢流管外径有关，适用于所有尺寸的水力旋流器，经过试验对比，本发明所设计的入口结构极大的增强了水力旋流器流场的稳定性，在入口处能量损耗最小，分离效率较高。

附图说明

图1为本发明水力旋流器的结构示意图；

图2为图1中入口结构的示意图；

图3为本发明水力旋流器的主分离区流场流线图；

图4为现有的具有切线型入口的水力旋流器的主分离区流场流线图；

图5为现有的具有阿基米德螺线型入口的水力旋流器的主分离区流场流线图；

图6为具有本发明的入口结构的水力旋流器与现有的具有切线型和阿基米德螺线型入口的水力旋流器进行石英纯矿物分离试验结果示意图；

图中，1—空腔体、2—溢流管、3—柱段、4—锥段、5—沉沙嘴、6—入口结构、7—第一圆弧段、8—第二圆弧段、9—第三圆弧段。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

如图1，本发明提供一种具有入口结构的水力旋流器，其为一空腔体1，空腔体1的两端开口设置，空腔体1包括柱段3和锥段4相互连接，柱段3的端部开口处插设有溢流管2，溢流管2相对于空腔体1的中心轴线对称插设于空腔体1的端部开口处，于该开口旁侧设有入口结构6，入口结构6形成与柱段3平滑相切的曲线，锥段4的端部开口处设有沉沙嘴段5。

如图2，上述入口结构6的曲线包括位于所述柱段3入口处的内外两侧、且分别与柱段3外圆相切的第一圆弧段7和第二圆弧段8，第一圆弧段7与柱段3外圆相内切，第一圆弧段7远离柱段3外圆的一端延伸超出入口一段距离，且其末端连接有切线。第二圆弧段8与柱段3外圆向外切，第二圆弧段8远离柱段3外圆的一端连接有第三圆弧段9，第三圆弧段9与第二圆弧段8相内切，且第三圆弧段9的直径与柱段3的外圆直径相等，第三圆弧段9末端延伸超出入口一段距离，且其末端连接有切线。上述第三圆弧段9、第二圆弧段8及第一圆弧段7共同形成入口通道，与柱段3相连通，从而形成平滑均匀，无凸起、台阶和突变的入口结构6，满足耗能、磨损、稳定性的要求。

如图2，本发明还提出上述入口结构6参数的确定方法，包括如下步骤：

步骤一：确定柱段的有效直径为d₁，溢流管外径为d₂，柱段和溢流管共同的圆心P₁(x₁，y₁)，以P₁为圆心，分别以d₁、d₂为直径画圆D₁、D₂；

步骤二：以P₂(x₁-(d₁-d₂)/2，y₁)为圆心，以d₃＝(d₁+(d₁-d₂)＝2d₁-d₂)为直径画入口外廓圆D₃，外廓圆D₃与D₁在X轴正方向的切点为P₃，本实施例中，切点P₃位于X轴上；

步骤三：以P₁为圆心，以d₄＝(1+k)d₁为直径画辅助圆D₄，其中k为修正系数，通常取1/20～1/30；

步骤四：以P₂为圆心，以d₁为直径画入口內廓圆D₅，D₅与D₄在Y轴正方向交点为P₄；

步骤五：画经P₄点、且同时与D₁、D₅相切的小圆D₆，以平滑连接D₁与D₅；

步骤六：在超出D₁的范围，取D3与D5的一段切线，在上述D₁～D₆及切线画完之后，剪切P₃与D₆之间的D₁圆弧段，剪切P₃与D₃切线之间的D₃圆弧段，以及剪切P₄与D₅切线之间的D₅圆弧段，从而得到入口结构。切线的端部形成入口，D₃、D₁、D₆及D₅的连线与D₂之间形成入口通道。切线端部入口的有效宽度始终为(d₁-d₂)/2，即与水力旋流器内壁与溢流管外壁之间的间距相同，因此料浆从入口进入分离腔更平滑。

本发明所设计的入口结构仅与水力旋流器的有效直径和溢流管的外径有关，因此可适用于所有尺寸的水力旋流器，且入口结构的曲线中，D₃与D₁相切、D₁与D₆相切，D₆与D₅相切，其构成曲线均相切设计，因此可以满足均匀平滑、无凸起、台阶和突变的要求，易于加工，且能使水力旋流器内流场稳定，从而提高水力旋流器分离精度，具有易于加工、适用性广等优势，能充分发挥水力旋流器的性能，提高分离精度。

下面以柱段直径为50mm、溢流管外径为34mm的水力旋流器为例，根据上述入口结构的确定方法，制作相应的入口结构及其水力旋流器，其中修正系数k取1/25，来说明本发明的实际应用效果。

如图3至图5，比较具有本发明的入口结构的水力旋流器与现有的具有切线型或阿基米德螺线型入口机构的水力旋流器的流场流线图，由图3至图5可以看出，本发明入口结构所得水力旋流器主分离区流场流线图对称性明显优于其它两种入口结构，即本发明所设计的入口结构极大的增强了旋流器流场稳定性。

如图6，在相同给矿压强条件下，利用具有不同入口结构的水力旋流器进行石英纯矿物分离试验，试验结果如图6，由图6可见，在相同给矿压强条件下，本发明设计的入口所得石英纯矿物粒度分配曲线在分配率50％处斜率明显较大，即分离效率高；同时本发明设计入口所得分离粒度d50最小，即本发明的入口处能量损耗最小，更多的能耗分配到主分离区，提高分离效率。

本发明通过上述比较可知入口结构的确定方法，很大程度上影响水力旋流器的流场稳定性及入口能耗，而本发明所设计的入口结构可提高流场稳定性，且入口结构平滑均匀，无凸起、台阶和突变，易于加工且能满足耗能、磨损、稳定性的要求，具有广泛的应用市场。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。