介紹
球形彎頭球形彎頭也稱轉向球,在水泥及生料的氣力輸送系統中,作為管道彎頭的代用件,以其製作簡單,安裝方便,耐用性能好等優點,在大中型水泥廠的氣力輸送中套用日益廣泛。
然而,對球形彎頭內的流動分布、磨損原理、阻力大小、合理球徑、製作安裝等一系列問題並無統一規範和理性認識。為此,作以下探討,希望促進轉向球的套用及推廣。
流動分析
球形彎頭在二維空間內,以90°球形彎頭為例,當流態化的料氣混合物以速度v1從A管流進球內時,如圖1所示,因入口截面積突然擴大,使流動的連續性被破壞。在原有流場擴大的同時,兩側死角處激起渦旋。其流線分布由對稱狀態①最終轉為非對稱狀態③。
隨流動過程的繼續,球內流動由①過渡為狀態②。這時,根據流體力學連續性原理,流速與截面積之間有以下關係式:
v1s1=v2s2 (1)
式中: v1——流體在A管中的流速,m/s; s1——A管的橫截面積,m2; v2——流體流過球心截面處的速度,m/s; s2——球心截面積,m2。
上式表明,在同一管路系統中,流速與流過的截面積大小成反比。由於球的截面積一般比管道截面積大幾倍,即有s2>s1,故有v1>v2。
氣流在球內速度迅速降低的同時,壓力升高,即流體的動能轉變為壓力能。球內不斷升高的壓力迫使流體從B管流出,流動達到相對穩定狀態,如圖1③所示。從①到③的這一轉變及流動的重新分布是在一個極短暫的時間內完成的速度、壓力和能量轉換過程。
由於球內氣流渦旋及摩擦的存在,使球形彎頭內的這一轉變過程產生了能耗。因而出現了物料傳輸中的彎頭壓力損失。
磨損原理
在氣力輸送系統中,普通彎頭是磨損最快的部件。當料氣混合物流過轉彎處,受慣性力的作用,沖刷緊貼彎頭的外側面,使此處很快被磨穿,降低了使用壽命,見圖2。
料氣混合物在球形彎頭內的流動則與普通彎頭不同。從圖1③可以看出,當A、B兩條管道通過球形彎頭作90°轉彎時,A管流進球內的流體,首先速度銳減3～5倍(因截面積增大3～5倍),其次,氣流進進球形彎頭內很難直接沖刷到球的內表面,而是與球內的渦旋發生摩擦及物質和能量的交換。因此,流體對球體的直接磨損被緩衝而削弱。對球壁直接磨損的是球內的渦旋。而渦旋的旋速較低又集中在進、出口管與球體的交接部位C、D、E、F(圖1③)。這裡成為球形彎頭最先被磨穿的地方。即使如此,球形彎頭在不加固的情況下,其使用壽命也比普通彎頭長3～5倍,使用期可達十年以上(輸送水泥)。若對進出管與球體對接處的球面作加固焊接,則使用周期更長。
係數及球徑
在水泥廠的氣力輸送管路中,通常要轉幾次彎才能將物料送至目的地。以某廠的氣力輸出系統為例(圖3):出磨水泥進入螺旋泵即被加壓吹入管路系統,經A、B、C、D、E五個球形彎頭分別作90°轉彎後,沿水平管道及三通閥進入水泥庫。若要計算這一管路系統的壓力損失,五個球形彎頭的壓損是應當考慮的。
料氣混合物流過球形彎頭與流過普通彎頭一樣要產生壓力損耗。壓損的大小因球徑大小、轉彎角度的不同而不同。
眾所周知:在氣力輸送中,由水平轉向垂直向上的90°轉彎,普通彎頭轉彎部分的壓力損失的計算式為:
v2
ΔP = ζ—— ρm (2)
2
式中:ΔP——普通彎頭壓力損失,Pa; v——管中氣流平均速度,m/s; ρm——氣固混合物密度,kg/m3; ζ——彎頭阻力係數。
式中阻力係數與彎管的曲率半徑 R和管道內直徑 D的比值有關,見表、圖4所示。
R/D比值與 ζ的關係
| R/D | 2 | 4 | 6 | ≥7 |
| ζ | 1.5 | 0.75 | 0.5 | 0.38 |
對於球形彎頭,其相似曲率半徑R′的大小與球的直徑大小和管路轉角大小有關。當作90°轉角輸送時,則R′≈r球,證明如下:
這一結果表明,在相同阻力係數 ζ′的條件下,135°轉向的球形彎頭直徑可以比90°轉彎的球形彎頭的直徑小2.5倍。
例如:有一氣力輸送管內徑D=200mm,用於90°轉彎的球形彎頭直徑為800mm,則R′=400mm,R′/D=2,其相似阻力係數ζ′≈1.5(見表),若該管路作135°轉彎,則球形彎頭的直徑為800÷2.5=320mm,其ζ′≈1.5不變。
球形彎頭在套用中直徑大小的選取要根據管路系統的實際情況來決定,通常在管道內徑的3～6倍範圍內選取。當管路總壓降、轉角及安裝條件確定後,球形彎頭的直徑也可確定下來。
製作工藝
1、耐磨球的壓制，按照設計要求選擇壓制耐磨求的模具，加熱鋼板幾次成型。
2、球形三通、彎頭的鑄造，根據耐磨層的厚度及材質，進行精鑄。
3、球形三通、彎頭的裝配，按加工圖紙進行裝配，保證結構尺寸、和同心度。
4、球形三通、彎頭的焊接，專業電焊工焊接，耐磨層不開裂，焊接成型好。
5、球形三通、彎頭的驗收，質檢員逐一檢驗，合格入庫。
製作及安裝
球形彎頭的製作主要是焊接中空球體。有了空心鋼殼球體,焊上進出管道就構成球形彎頭。因此,製作空心球體是製作球形彎頭的關鍵。
如圖6所示,一個空心鋼球是由N端與S端兩個球冠及1、2、3……n若干球瓣組合而成。因此,只要製作出球冠及球瓣,再將其焊接起來,就成為球形彎頭的球體。
球冠大小取球的直徑（1/6～1/4）D′,直接在厚度4～8mm A3或優質低合金鋼板上下料。按球體弧形樣板用錘敲出球冠弧度(圖7a)。
球瓣應先放樣後下料。取油氈一塊劃一直線長度為 ,就是圖7b中NS。兩端寬度取(1/6～1/16)πd1。再將去掉N、S球冠的球檯高 H作1、2、3……n等分(見圖6)。測量出每一等分切面處直徑d2、d3、d4……dn。並計算出各切面周長及等分弧長:(1/6～1/16)πd2標於1-1,(1/6～1/16)πd3標於2-2,依次放線至n-n(圖7b)。取等分點越多球瓣越接近球面形狀。將畫好樣板剪下在鋼板上放實樣並切割出6～16塊(塊數根據等分決定)。若鋼板較厚應加熱煨出球面狀,供組裝使用。
將製成的兩球冠及6～16塊(根據球大小取等分數)球瓣拼焊裝配即成為一個空心鋼球。
球形彎頭的安裝較靈活方便。根據管路走向及轉角和管道外徑尺寸,在球面上定位劃線開兩個孔。為提高耐用性,在開孔周圍寬50～80mm內加焊4～6mm鋼板。將球吊入安裝位置,插入進出管焊接固定即成。
結語
流態化物料在球形彎頭內的流動,從微觀上講是十分複雜的。本文僅從工程實用的角度對其流動分布、阻力係數、合理球徑等問題作了探討。希望這一研究有助於球形彎頭設計水平及使用壽命的提高,使之在氣力輸送管路系統中的套用更加廣泛。
