一種高效氣動驅(qū)流器的改進(jìn)設(shè)計

摘要：本文是以原有的驅(qū)流器為研究對象，利用自動輸送技術(shù)與氣體驅(qū)動技術(shù)，設(shè)計改進(jìn)的一個高效氣動驅(qū)流器，它能防止連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣自動加渣時管路物料的脈沖和反沖現(xiàn)象，減少了出口處揚(yáng)塵和對環(huán)境的污染，并且提高了驅(qū)流器的驅(qū)流能力。

關(guān)鍵詞：氣動 高效 驅(qū)流器

1 概述

連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣是連鑄生產(chǎn)過程中必不可少的材料之一。在澆注過程中保護(hù)渣給料是否均勻和是否符合煉鋼工藝要求，直接影響著鋼坯質(zhì)量和結(jié)晶器的壽命。但是目前的保護(hù)渣給料多數(shù)是由人工完成，往往由于人為因素帶來加料不均勻、渣料浪費(fèi)嚴(yán)重、粉塵嚴(yán)重污染環(huán)境等弊端，同時稍有疏忽就可能造成結(jié)晶器損壞和影響鋼坯質(zhì)量，造成了企業(yè)的損失。連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣自動給料[1]機(jī)

實(shí)現(xiàn)了由自動加料代替了人工加料，能滿足連鑄工藝的

要求，達(dá)到了穩(wěn)定鋼坯的質(zhì)量，安全可靠和潔凈環(huán)境的目的[2][3]。

在該給料裝置中，是通過氣動驅(qū)流器來把物料通過管路輸送到結(jié)晶器表面的，工作原理如圖1所示，但該驅(qū)流器在使用時，由于管路阻力隨工況的不同一直變化，導(dǎo)致保護(hù)渣在屬性過程管路中產(chǎn)生脈沖，甚至發(fā)生反沖現(xiàn)象；使得出料口有揚(yáng)塵，并且驅(qū)流能力不高。基于這些問題，本文對該驅(qū)流器的關(guān)鍵部位噴嘴進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。

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圖1 驅(qū)流器工作原理示意圖

2 拉瓦爾噴嘴的設(shè)計

原驅(qū)流器噴嘴為一個壓縮管，為提高進(jìn)氣速度和壓力，將噴嘴由壓縮管改成拉瓦爾噴嘴的形式，使在一開始就得到一個比較理想的氣體速度和壓力。拉瓦爾噴嘴是一個收縮—擴(kuò)張型噴嘴。通過此噴嘴能夠使具有一定壓力及較低速度的氣體產(chǎn)生超音速流[4]，如圖2所示拉瓦爾噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖。

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圖2 拉瓦爾噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

用一維等熵流動來研究其內(nèi)部流動[5][6]。由一維恒定等熵流動的基本方程組可以得出噴管內(nèi)表面直徑的變化規(guī)律：d=dc×■（1）

A=Ac×■■+[1+■M■（x）]■（2）

式中：dc，Ac——喉口直徑，截面積；d，A——任意截面的直徑，截面積；M（x）——任意截面的馬赫數(shù)；γ——絕熱指數(shù)，空氣一般取1.4。

2.1 收縮段的設(shè)計

收縮段的作用是將氣流從低速即小于馬赫數(shù)加速到音速即馬赫數(shù)左右。因?yàn)槭湛s段的初始部分氣流速度比較低，所以從恒截面的中心管到收縮段必然有個過渡。按理想從恒截面的中心管到圓錐形收縮段應(yīng)當(dāng)逐漸過渡，然而假定錐角不太大，來流馬赫數(shù)又比較低，則實(shí)際上收縮段可以與恒截面的中心管相交。交接處要圓滑一些，避免噴頭內(nèi)應(yīng)力集中，使氣流平緩。

2.1.1 收縮段長度l2

由經(jīng)驗(yàn)，一般取l2=（0.5-1）d1。

2.1.2 收縮段壁面設(shè)計

采用維托辛斯基曲線[7]設(shè)計拉伐爾噴管收縮段：

d=■ （3）

式中：d——收縮段任意截面直徑；d1——進(jìn)口截面直徑；dc——喉口截面直徑；l2——收縮段長度；x——任意截面到進(jìn)口截面的長度。

2.2 喉部的設(shè)計

理論上講，只要喉口上部和下部的截面積變化足夠平緩，喉口的長度可以為零，但是這樣的噴頭難于制作。為了方便收縮段與擴(kuò)張段的加工，喉口應(yīng)有一定的長度。一般恒截面喉口的長度不超過喉口直徑。因?yàn)殡S喉口長度增大，喉口有效截面積減少，反而會造成噴出系數(shù)減少。

2.2.1 喉口直徑dc

dc可以由公式（1）代入進(jìn)口截面參數(shù)M（1）求得，則：

dc=d1×

（■）-1（4）

2.2.2 喉口長度lC

由經(jīng)驗(yàn)可知，lC一般不大于喉口直徑，取lC=0.8dc。

2.3 擴(kuò)張段的設(shè)計

2.3.1 出口截面直徑d2

由公式（1）代入出口截面的M（2）和喉口直徑dc可得：

d2=

dc×■（5）

2.3.2 擴(kuò)張段長度l3

擴(kuò)張段的長度一般由經(jīng)驗(yàn)公式得到：l3=■（6）

式中：θ——擴(kuò)張角度，一般?。?°～6°）。

2.3.3 擴(kuò)張段曲面設(shè)計

傳統(tǒng)的設(shè)計方法有特征線法，F(xiàn)oelsch法以及l(fā)ao設(shè)計方法。但在實(shí)際加工中均存在很大困難，所以一般是采用做一個弧度為0.5的弧線來代替。本次設(shè)計也是采用做一個弧度為0.5的弧線來代替。

2.4 穩(wěn)定段的設(shè)計

穩(wěn)定段又稱為安定段，其目的是使進(jìn)入噴嘴的氣流均勻或降低紊流度，穩(wěn)定段的長度理論上是喉口直徑的10倍左右，即l1=10dc，直徑即為進(jìn)口直徑d1。

3 工作分析

改進(jìn)后的驅(qū)流器由拉瓦爾噴嘴，吸入室，收縮室、擴(kuò)壓室以及壓力控制閥組成。工作氣體經(jīng)過拉瓦爾噴嘴變成超音速氣流而噴射到吸入室內(nèi)，使吸入室處于負(fù)壓狀態(tài)，抽吸保護(hù)渣；工作氣體和保護(hù)渣在吸入室里相互混合并進(jìn)行動量和能量的交換，氣體速度降低，保護(hù)渣流速增加；在擴(kuò)壓段速度下降，壓力增加，直到擴(kuò)壓室的出口處。在這過程中，工作氣體通過拉瓦爾噴嘴將壓力能轉(zhuǎn)變成動能進(jìn)行抽吸保護(hù)渣，在吸入式混合，混合物料流通過擴(kuò)壓器又將動能轉(zhuǎn)變成壓力能從而實(shí)現(xiàn)物料的輸送。

4 小結(jié)

改進(jìn)后的驅(qū)流器在使用時大大減少了由于管路阻力隨工況的不同一直變化產(chǎn)生的脈沖和反沖現(xiàn)象；減少了出料口的揚(yáng)塵，改善了保護(hù)渣對環(huán)境的污染；解決了原驅(qū)流器驅(qū)流能力不高的缺點(diǎn)，提高了連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣自動給料的效率和鋼坯的質(zhì)量，滿足了使用的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]梅金波，葉俊輝，朱萃漢等.連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣自動給料機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用[J].鋼鐵，2004.

[2]陳宏鄖主編.管道物料輸送與工程應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[3]華建社主編.傳輸原理.西北工業(yè)大學(xué)出版社[M].2005.

[4]朱俊華主編.射流泵及其它類型泵.北京機(jī)械工業(yè)出版社[M].1982.

[5]吳子牛主編.空氣動力學(xué)[M].清華大學(xué)出版社.2007.

[6]易中，吳萱，周麗珍.低速空氣動力學(xué)[M].冶金工業(yè)出版社.2005.

[7]張也影主編.流體力學(xué).高等教育出版社[M].1986.

作者簡介：吳麗華（1982-），女，山東青島人，助理講師，從事機(jī)械專業(yè)的教學(xué)與科研工作。