CN111729530B - 一种水力自驱动式减阻粘液稀释释放装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水力自驱动式减阻粘液稀释释放装置，由粘液喷嘴、稀释掺混腔体、搅拌棒、释放喷嘴组成。电磁流量计安装在进水管上，稀释掺混腔体位于进水管后部，稀释掺混腔体与释放喷嘴连接为一体结构，释放喷嘴为渐缩段，搅拌棒位于稀释掺混腔体内通过轴承连接在稀释掺混腔体上，粘液喷嘴固定在稀释掺混腔体前部通孔内并与该通孔过盈配合，粘液喷嘴用于喷射减阻浓粘液与来流水混合稀释。稀释掺混腔体利用来流水力自驱动实现均匀掺混，搅拌棒设计使搅拌掺混时不会发生减阻粘液高分子链断裂，减阻效果持久有效。减阻粘液稀释释放装置可实现减阻粘液的稀释、掺混、喷射共用一个稀释掺混腔体，结构简单，有较大的工程应用价值。

Description

一种水力自驱动式减阻粘液稀释释放装置
技术领域
本发明涉及水下航行器减阻增速技术，具体地说，涉及一种水力自驱动式减阻粘液稀释释放装置。
背景技术
船舶及水下航行器的速度是衡量其性能的一个重要指标。在相同的输入功率下，速度的快慢与其所受阻力的大小密切相关。船舶及水下航行器所受的阻力由摩擦阻力、压差阻力和兴波阻力三部分组成，其中摩擦阻力占比最高。减小摩擦阻力是增速降耗的主要方法，目前主流的减阻方法有超疏水减阻、沟槽减阻、微气泡减阻、柔性壁减阻多种方式。以高聚物或表面活性剂作为减阻粘液具有良好的减阻特性已达到共识，也有研究者提出一些固体颗粒状悬浮粘液可以达到减阻效果。目前，减阻粘液在输油输气等工况已有应用。因此，有研究者提出使船舶及水下航行器外表面流动一层减阻粘液可产生减阻效果。
喷射是一种有效的减阻粘液释放方法，粘液浓度、喷射速率及角度对减阻效果影响很大。在发明专利CN201910168276.3“一种水下航行器粘液减阻装置”中，该减阻装置包括有储液箱、分流管，通过设计减阻粘液喷射装置，减少其减阻粘液消耗，但由于减阻粘液只有在低浓度下才能起到减阻作用，航行器由于功耗及空间有限不宜携带过多减阻粘液。发明专利CN201811053561.2“一种高聚物浓粘液快速均匀稀释装置”中，该稀释装置包括存储室、混合段、弯管段，可以使航行器在携带少量高浓度减阻粘液的情况下，通过混合段稀释、弯管段掺混来获得低浓度减阻粘液，但弯管段掺混一方面带来较大沿程损失，另一方面弯曲幅度大，减阻粘液释放困难，弯管处甚至会由于长时间释放粘液产生附壁堵塞。
空间有限及航程最大化使得船舶及航行器只能携带少量高浓度减阻粘液，而高浓度减阻粘液稀释并均匀喷射后才能达到最优减阻效果。基于此，减阻粘液在船舶及航行器上的应用需要保证高浓度少量携带和稀释后均匀释放，因此，需一种减阻粘液稀释释放装置，使得高浓度减阻粘液可以得到稀释，稀释后可得到均匀掺混释放。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种水力自驱动式减阻粘液稀释释放装置；该减阻粘液稀释释放装置，其使得高浓度减阻粘液可实现稀释，稀释后在水力驱动下得到均匀掺混释放，从而实现减阻增速。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括粘液喷嘴、稀释掺混腔体、搅拌棒、释放喷嘴、进水管、电磁流量计、粘液输送管道、粘液稀释装置、水力涡轮、支撑棒和搅拌圆棒，电磁流量计安装在进水管上，稀释掺混腔体位于进水管后部，其特征在于所述稀释掺混腔体为中空长方体，两端敞口，稀释掺混腔体后部与释放喷嘴连接为一体结构，释放喷嘴为渐缩段，搅拌棒位于稀释掺混腔体内通过轴承连接在稀释掺混腔体内壁上，稀释掺混腔体前端部壁面开有对称通孔，粘液喷嘴固定在稀释掺混腔体通孔内与稀释掺混腔体上通孔过盈配合，粘液喷嘴用于喷射减阻浓粘液与来流水混合稀释；
所述搅拌棒为涡轮圆棒结构，水力涡轮与搅拌圆棒交错分布，在支撑棒的支撑下，带动搅拌圆棒旋转，所述搅拌棒沿稀释掺混腔体轴线横向、竖向设置，每组有搅拌棒三个，平行排列；
所述释放喷嘴位于稀释掺混腔体后部水流方向下游，释放喷嘴渐缩段利于减阻粘液掺混均匀，根据流量公式q＝dv，当管径直径d渐变小时，通过的流量q不变，其流速v增加，从而产生喷射释放功能；所述释放喷嘴喷射端当量直径与稀释掺混腔体当量直径之比为1:3～1:2。
所述粘液喷嘴喷射端当量直径与入流端当量直径之比为1:3～1:2。
所述粘液喷嘴对称设置为多个。
所述释放喷嘴采用亚克力板加工成型。
有益效果
本发明提出的一种水力自驱动式减阻粘液稀释释放装置由粘液喷嘴、稀释掺混腔体、搅拌棒、释放喷嘴组成；电磁流量计安装在进水管上，稀释掺混腔体位于进水管后部，稀释掺混腔体后部与释放喷嘴连接为一体结构，释放喷嘴为渐缩段，搅拌棒位于稀释掺混腔体内通过轴承连接稀释掺混腔体上，稀释掺混腔体前端部壁面开有对称通孔，粘液喷嘴固定在稀释掺混腔体通孔内与稀释掺混腔体上通孔过盈连接，粘液喷嘴用于喷射减阻浓粘液与来流水混合稀释。稀释掺混腔体两端开口，利用来流水力自驱动实现均匀掺混，节能且减小了机械噪声，在减阻的同时保证了水下航行器的隐蔽性；搅拌棒圆棒设计使搅拌掺混时不会发生减阻粘液高分子链断裂，减阻效果持久有效。
水力自驱动式减阻粘液稀释释放装置，可实现减阻粘液的稀释、掺混、喷射，且共用一个稀释-掺混腔体，整体结构简单，易于实现，制作成本低。
水力自驱动式减阻粘液稀释释放装置，具有良好的稀释能力和稀释后均匀掺混释放能力，使得高浓度减阻粘液可得到稀释，稀释后可均匀掺混释放。适用于空间有限的船舶及水下航行器，在携带少量高浓度减阻粘液同时使得航程最大化，得以长时间维持减阻效果，且水力自驱动式，环保节能，在船舶及水下航行器减阻领域具有较大的工程应用价值。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种水力自驱动式减阻粘液稀释释放装置作进一步详细说明。
图1为本发明水力自驱动式减阻粘液稀释释放装置示意图。
图2为本发明水力自驱动式减阻粘液稀释释放装置工作模式示意图。
图3为本发明水力自驱动式减阻粘液稀释释放装置的搅拌棒结构示意图。
图中
1.粘液喷嘴 2.稀释掺混腔体 3.搅拌棒 4.轴承 5.释放喷嘴 6.进水管 7.电磁流量计 8.粘液输送管道 9.粘液稀释装置 10.水力涡轮 11.支撑棒 12.搅拌圆棒
具体实施方式
本实施例是一种水力自驱动式减阻粘液稀释释放装置。
参阅图1～图3，图1中箭头为水流方向；图2中水平方向箭头为水流方向，竖直方向箭头为粘液流动方向。
本实施例水力自驱动式减阻粘液稀释释放装置，由粘液喷嘴1、稀释掺混腔体2、搅拌棒3、释放喷嘴5、进水管6、电磁流量计7、粘液输送管道8、粘液稀释释放装置9、水力涡轮10、支撑棒11、搅拌圆棒12组成；电磁流量计7安装在进水管6上，稀释掺混腔体2位于进水管6后部。其中，稀释掺混腔体为中空长方体，两端敞口，稀释掺混腔体后部与释放喷嘴5连接为一体结构，释放喷嘴5为渐缩段，搅拌棒3位于稀释掺混腔体内通过轴承连接稀释掺混腔体上，稀释掺混腔体前端部壁面开有对称通孔，粘液喷嘴固定在稀释掺混腔体通孔内与稀释掺混腔体上通孔过盈配合连接，粘液喷嘴用于喷射减阻浓粘液与来流水混合稀释。搅拌棒3为涡轮圆棒结构，水力涡轮与搅拌圆棒12交错分布，在支撑棒的支撑下，带动搅拌圆棒旋转；为保证稀释掺混更加均匀，稀释掺混腔体2中搅拌棒横向、竖向分别设置一组，每组含有搅拌棒3三个，平行排列。
释放喷嘴5位于稀释掺混腔体后部水流方向下游，释放喷嘴5渐缩段有利于减阻粘液掺混均匀，根据流量公式q＝dv，当管径直径d变小时，由于通过的流量q不变，其流速v会增加从而产生喷射释放功能。
稀释掺混腔体2稀释部分顶端和底端对称分布有粘液喷嘴多个。稀释掺混腔体2上与搅拌棒3连接部位开有轴承孔。粘液喷嘴喷射端当量直径与入流端当量直径之比为1:3～1:2。释放喷嘴喷射端当量直径与稀释-掺混腔体当量直径之比为1:3～1:2。
稀释掺混腔体2前部分用作稀释，粘液喷嘴1与所述稀释掺混腔体上通孔过盈连接，高浓度减阻粘液从喷嘴喷射并与来流水混合稀释；稀释掺混腔体2后部分用作掺混均匀，搅拌棒3为涡轮圆棒结构，水力带动涡轮旋转，圆棒用于均匀掺混减阻粘液，横向、竖向分开设置，使得减阻粘液的掺混更均匀。
减阻粘液稀释释放装置使得高浓度减阻粘液可以得到稀释，稀释后可以得到均匀掺混释放。高浓度减阻粘液经粘液输送管道输送至所述粘液喷嘴，另一支路水流不断经过稀释掺混腔体，此时粘液喷嘴不断向外喷射减阻浓粘液，减阻浓粘液与水流在所述稀释掺混腔体内混合，减阻浓粘液得到稀释，稀释后的减阻粘液经过所述搅拌棒掺混均匀，并由所述释放喷嘴进一步掺混均匀后喷射释放，起到减阻增速的效果。
在本实施例中，选用的减阻浓粘液为自行配制的浓度为1200ppm的聚氧化乙烯溶液。稀释掺混腔体2、释放喷嘴5采用亚克力板切割并粘贴而成，粘液喷嘴1、搅拌棒3采用3D打印而成。
为保证浓粘液喷射均匀，稀释掺混腔体2顶端和底端各含有粘液喷嘴1五个，平行排列。为保证浓粘液喷射有力，同时降低粘液输送管道压力，粘液喷嘴1喷射端当量直径与入流端当量直径之比为3:8，其中入流端直径为8mm，喷射端直径为3mm。
为方便喷嘴5及搅拌棒3安装，稀释掺混腔体2与释放喷嘴5内截面均为正方形。为保证稀释后进一步掺混，释放喷嘴5喷射端当量直径与稀释掺混腔体2当量直径之比为1:2.5，其中稀释掺混腔体2当量直径为100mm，释放喷嘴5喷射端当量直径为40mm。支撑棒11直径为10mm，水力涡轮10沿支撑棒直径方向长度6mm，除顶端和底端水力涡轮10沿支撑棒轴向方向长度为5mm外，其余沿支撑棒11轴向方向长度均为10mm，每个搅拌圆棒12直径2mm。
为保证稀释掺混更加均匀，稀释掺混腔体中搅拌棒横向、竖向分别设置一组，每组含有三个搅拌棒3，平行排列。
为保证搅拌棒水力驱动旋转受阻小，搅拌棒3选用61800深沟球轴承支撑旋转，稀释掺混腔体2上开有轴承孔19mm。
工作方式
1、高粘度减阻粘液经粘液输送管道8输送至粘液稀释装置9中的粘液喷嘴，设定粘液输送管道管径为8mm，各粘液喷嘴内浓粘液流速为20mm/s，则总喷射流量约为10053mm3/s，即10.1ml/s。
2、同时，另一支路，水流经进水管6输送至粘液稀释装置9，进水管6截面为圆形，粘液稀释装置9截面为正方形，故两者之间存在一过渡段。电磁流量计7可实时监测水流流量，从而可根据水流流量人为控制粘液输送量，从而保证稀释比例。此外，进水管6管径明显比粘液输送管道8管径要大，同样是为了保证稀释比例。在本实施例中进水管6直径为120mm，设定进水管流速100mm/s，则水流流量约为1140398mm3/s，即1140.4ml/s，则稀释后浓度约为10.5ppm，即稀释比例约为1:114。
3、在粘液稀释装置9中不断有水流流过，粘液喷嘴1不断向外喷射减阻浓粘液，减阻浓粘液与水流在稀释掺混腔体2中混合，减阻浓粘液得到稀释；稀释后的减阻粘液推动搅拌棒3上的涡轮旋转，搅拌棒3上的圆棒在旋转过程中对减阻粘液搅拌掺混；掺混后的减阻粘液进入释放喷嘴，进一步掺混均匀同时提高流速，使得稀释并掺混均匀后的减阻粘液喷射流出，从而起到减阻增速的效果。
本实施例水力自驱动式减阻粘液稀释释放装置，具有良好的稀释能力和稀释后均匀掺混释放能力，使得高浓度减阻粘液可以得到稀释，稀释后可得到均匀掺混释放。适用于空间有限的船舶及水下航行器，在携带少量高浓度减阻粘液同时使得航程最大化，得以长时间维持减阻效果；减阻粘液稀释释放装置结构简单，制作成本低，水力自驱动式环保节能，在船舶及水下航行器减阻领域具有较大的工程应用价值。

Claims (3)

1.一种水力自驱动式减阻粘液稀释释放装置，包括粘液喷嘴、稀释掺混腔体、搅拌棒、释放喷嘴、进水管、电磁流量计、粘液输送管道、粘液稀释装置、水力涡轮、支撑棒和搅拌圆棒，电磁流量计安装在进水管上，稀释掺混腔体位于进水管后部，其特征在于:所述稀释掺混腔体为中空长方体，两端敞口，稀释掺混腔体后部与释放喷嘴连接为一体结构，释放喷嘴为渐缩段，搅拌棒位于稀释掺混腔体内通过轴承连接在稀释掺混腔体内壁上，稀释掺混腔体前端部壁面开有对称通孔，粘液喷嘴固定在稀释掺混腔体通孔内与稀释掺混腔体上通孔过盈配合，粘液喷嘴用于喷射减阻浓粘液与来流水混合稀释；
所述搅拌棒为涡轮圆棒结构，水力涡轮与搅拌圆棒交错分布，在支撑棒的支撑下，带动搅拌圆棒旋转，所述搅拌棒沿稀释掺混腔体轴线横向、竖向设置，每组有搅拌棒三个，平行排列；
所述释放喷嘴位于稀释掺混腔体后部水流方向下游，释放喷嘴渐缩段利于减阻粘液掺混均匀，根据流量公式q＝dv，当管径直径d渐变小时，通过的流量q不变，其流速v增加，从而产生喷射释放功能；所述释放喷嘴喷射端当量直径与稀释掺混腔体当量直径之比为1:3～1:2；
所述粘液喷嘴喷射端当量直径与入流端当量直径之比为1:3～1:2。
2.根据权利要求1所述的水力自驱动式减阻粘液稀释释放装置，其特征在于:所述粘液喷嘴对称设置为多个。
3.根据权利要求1所述的水力自驱动式减阻粘液稀释释放装置，其特征在于:所述释放喷嘴采用亚克力板加工成型。
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