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學(xué)號(hào)：
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
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（2018屆）
題 目 發(fā)酵罐設(shè)計(jì)
學(xué) 生
學(xué) 院 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)
校內(nèi)指導(dǎo)教師
校外指導(dǎo)老師
年六月
10發(fā)酵罐設(shè)計(jì)
摘 要:本文主要介紹了發(fā)酵罐的主要設(shè)計(jì)步驟。在工藝計(jì)算中，大致計(jì)算了發(fā)酵罐筒體的筒徑，高度。選定了封頭形狀，確定了夾套高度和攪拌槳葉的分布。對(duì)攪拌功率進(jìn)行了試算，選定了電機(jī)功率。參照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和參考資料對(duì)發(fā)酵罐受內(nèi)外壓情況下的筒體壁厚，封頭壁厚，受內(nèi)壓的夾套壁厚進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。對(duì)支座，凸緣，安裝底蓋，法蘭，人孔等進(jìn)行了選型。參考《機(jī)械攪拌設(shè)備》對(duì)攪拌槳進(jìn)行了設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核。同時(shí)，按扭轉(zhuǎn)變形，根據(jù)臨界轉(zhuǎn)速，強(qiáng)度計(jì)算，和軸封處允許的徑向位移四種方法對(duì)軸徑進(jìn)行計(jì)算和強(qiáng)度校核。參照國(guó)標(biāo)規(guī)則，運(yùn)用等面積補(bǔ)強(qiáng)的方法對(duì)接管開(kāi)孔進(jìn)行了開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)，最后對(duì)攪拌設(shè)備的制造，檢驗(yàn)安裝進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明
設(shè)計(jì)結(jié)果：設(shè)計(jì)出了工作容積為10m3的發(fā)酵罐，筒體材料為，內(nèi)筒壁厚為，內(nèi)徑為，夾套厚度為。筒體高度，采用機(jī)械密封及三層攪拌槳形式攪拌。機(jī)架采用機(jī)械密封和單點(diǎn)支架的配合，支座采用支撐式支座支座。攪拌軸軸徑為。
關(guān)鍵詞：發(fā)酵罐；攪拌槳；攪拌軸；強(qiáng)度校核；開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)
Ⅰ
The design of 10 cubic meters fermentation tank
Abstract:Fermentation technology has become an indispensable technology in food, chemical and pharmaceutical industries.Besides,the Fermentation tank takes a large place in Fermentation process. The main steps in the design of a 10 cubic meter fermenter are detailed introduced in this paper,and I choose the design and strength check of the agitator shaft as my main research direction.In my opinions,my research will have a certain significance in practical engineering design.
In the process calculation, the diameter and height of the cylinder of the fermentor were roughly calculated.In this part,i has also sclected the shape of the head and have confirmed the height of the jack,the position of the impeller. the stirring power was calculated and the motor power was selected.With reference to the relevant standards and reference materials, the wall thickness of the cylinder, the wall thickness of the head, and the wall thickness of the jacket subjected to internal pressure are designed and calculated for the fermenter under the conditions of internal and external pressure.Also,I designed and checked the strength of the mixing paddle.The type of bearing, flange, bottom cover, flange and manhole are selected.At the same time, according to the four ways,including torsional deformation, the critical speed, strength calculation, and the radial displacement allowed at the shaft seal, I calculate the shaft diameter and check the strength.With reference to the national standard rules, the opening of the nozzle was reinforced by the method of equal area reinforcement.In the end, I did a simple introduction about the manufacture, inspection and installation of the mixing equipment.
Design result: I have designed a fermentation tank with a working volume of 10.The cylinder body material is S30408. The inner wall thickness is 14mm.The inner diameter is 1800mm and the height of the cylinder body is 3900mm.The equipment is mechanically sealed and stirred in the form of a three-layer mixing paddle.The rack is equipped with a mechanical seal and a single point bracket, and the support is supported by a support bracket and the stir shaft diameter is 130mm.
Key words: Fermentation tank;impeller;Agitator shaft;Strength Check;Reinforcement
Ⅱ
目 錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
目錄 Ⅲ
1 前言 1
1.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 1
1.2 發(fā)展趨勢(shì) 1
1.3 結(jié)構(gòu)和材料選擇 1
2 工藝計(jì)算 2
2.1 確定筒體內(nèi)徑 2
2.2 確定上下封頭幾何參數(shù) 2
2.3 重新確定筒體高度 2
2.4 軸封損耗功率計(jì)算 3
2.5 單個(gè)攪拌槳功率計(jì)算 3
2.6 三層攪拌槳功率計(jì)算 4
2.7 接管計(jì)算 5
2.8 攪拌罐工藝參數(shù) 5
3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算 6
3.1 受內(nèi)壓的筒體壁厚計(jì)算 6
3.2 受外壓的筒體壁厚計(jì)算 6
3.3 封頭內(nèi)壓計(jì)算 10
3.4 封頭外壓計(jì)算 11
3.5 帶夾套筒體的壁厚計(jì)算 12
3.6 帶夾套封頭的壁厚計(jì)算 12
3.7 支座選擇 13
3.8 法蘭的選擇 16
3.9 安裝底蓋的選用 17
3.10 機(jī)架的選擇 18
3.10 人孔選擇 19
3.11 密封形式 20
4 攪拌軸設(shè)計(jì) 21
4.1 按扭轉(zhuǎn)變形計(jì)算攪拌軸直徑 21
4.2 根據(jù)臨界轉(zhuǎn)速校核攪拌軸軸徑 21
4.2.1 攪拌軸有效質(zhì)量計(jì)算 21
4.2.2 圓盤(pán)有效質(zhì)量計(jì)算 22
4.2.3 單跨軸一階臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算 23
4.3 按強(qiáng)度計(jì)算攪拌軸的軸徑 25
4.4 應(yīng)按軸封處允許徑向位移驗(yàn)算軸徑 28
5 攪拌槳計(jì)算 29
5.1 確定攪拌槳設(shè)計(jì)功率 29
5.2 每層攪拌槳的設(shè)計(jì)功率 29
5.3 攪拌槳槳葉材料的許用應(yīng)力 30
5.4 圓盤(pán)渦輪式攪拌槳計(jì)算 30
6 接管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng) 31
7 制造、檢驗(yàn)、安裝、使用、維修 38
7.1 軸的加工要求 38
7.2 攪拌器加工要求 38
7.3 攪拌設(shè)備殼體的制造要求及檢驗(yàn) 38
7.4 攪拌軸的試運(yùn)轉(zhuǎn) 38
8 結(jié)束語(yǔ) 39
參 考 文 獻(xiàn) 40
致 謝 41
Ⅳ
1 前言
1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)
發(fā)酵罐設(shè)計(jì)，釜內(nèi)的工作介質(zhì)為發(fā)酵液，操作容積為，攪拌轉(zhuǎn)速為，工作溫度133℃，工作壓力0.2MPa；夾套內(nèi)的工作介質(zhì)為飽和水蒸氣,工作壓力0.3MPa；盤(pán)管內(nèi)的工作介質(zhì)為飽和水蒸氣、冷卻水，工作壓力0.6MPa,工作溫度165℃/25℃。
1.2 發(fā)展趨勢(shì)
現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外發(fā)酵罐主要的研究方向在于改進(jìn)反應(yīng)釜設(shè)計(jì)，攪拌器，傳動(dòng)裝置，傳熱裝置設(shè)計(jì)等，在發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行創(chuàng)新從而提高工作效率。在理論方面，許多國(guó)家就攪拌釜內(nèi)的流場(chǎng)[1]問(wèn)題進(jìn)行研究。國(guó)內(nèi)外發(fā)酵設(shè)備做的比較好的公司是德國(guó)貝朗（占中國(guó)市場(chǎng)的80%）、美國(guó)NBS、韓國(guó)、日本、瑞士比歐、江蘇理工和華東理工。我國(guó)發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展不僅在于產(chǎn)量的提升，更在于發(fā)酵技術(shù)和發(fā)酵工藝的巨大進(jìn)步。當(dāng)前取得的成果：經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的明顯提高、工藝技術(shù)的重大改進(jìn)、裝備水平的改善。
為了適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)也在不斷改進(jìn)。智能與全能化始終是第一要題。在需求的推動(dòng)下，發(fā)酵罐的巨大化成了技術(shù)主流。國(guó)外的聚合容積已由之前的增加到。大型聚合釜的使用可減少投入操作和檢修人員。實(shí)現(xiàn)密閉或開(kāi)放式發(fā)酵容器的轉(zhuǎn)變，增大產(chǎn)量，提高生產(chǎn)效率，從而使處理大量或超大量的物料成為可能。所以低價(jià)值產(chǎn)品的巨大化，能以幾十或數(shù)百噸的產(chǎn)量來(lái)取勝是現(xiàn)在許多企業(yè)關(guān)心的地方。隨著發(fā)酵罐體積的逐漸巨大化，發(fā)酵罐也向矮胖型聚合釜發(fā)展，采用底部攪拌方式的發(fā)酵罐越來(lái)越多，其中，三葉后掠式攪拌器是目前最好的選擇之一，擁有排出量大，聚合釜內(nèi)液相循環(huán)充分等的特點(diǎn)。而另一方面，高價(jià)值轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的小型化也成為熱門(mén)話題，能把基因工程技術(shù)與發(fā)酵技術(shù)完美結(jié)合是一大難題。
可適應(yīng)多相物料的反應(yīng)也是發(fā)酵罐未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一，現(xiàn)在的工業(yè)反應(yīng)大多不是單純的單相反應(yīng)，為了適應(yīng)多相反應(yīng)系統(tǒng)的需要，目前在工業(yè)上主要采用機(jī)械攪拌型，輸液泵型和氣升式發(fā)酵罐，但都還存在維修不方便、實(shí)現(xiàn)放大化難度大、適用范圍小等的缺點(diǎn)，所以都還有很大改進(jìn)的空間。
1.3 結(jié)構(gòu)和材料選擇
經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，確定發(fā)酵罐筒徑，筒高。封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。夾套高度定為，夾套直徑，材料選擇，機(jī)架選取單支點(diǎn)機(jī)架，軸端密封選取單端面機(jī)械密封。接管由于所設(shè)計(jì)的設(shè)備是間歇性操作，不考慮流量，按經(jīng)驗(yàn)法選取。接管材料選擇。支座選擇支撐式支座，B系列B4型。減速器經(jīng)計(jì)算，選取額定功率為的減速器，攪拌軸直徑定為，長(zhǎng)度，材料為不銹鋼，內(nèi)容器與封頭材料選取不銹鋼。
2 工藝計(jì)算
2.1 確定筒體內(nèi)徑
設(shè)計(jì)要求給定的操作體積取裝料系數(shù)
實(shí)際體積：
（2.1）
取高徑比：
（2.2）
內(nèi)徑：
（2.3）
取圓整數(shù)據(jù)為。
高度：
（2.4）
2.2 確定上下封頭幾何參數(shù)
選取的標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，查表[2]
圖1標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭
2.3 重新確定筒體高度
（2.5）
此時(shí),在規(guī)定范圍內(nèi)。
裝料系數(shù)：
（2.6）
2.4 軸封損耗功率計(jì)算
選取單端面機(jī)械密封,軸封處消耗功率
其中：——攪拌軸直徑 試取
（2.7）
2.5 單個(gè)攪拌槳功率計(jì)算[2]
功率準(zhǔn)數(shù)：
（2.8）
其中：為方程式參數(shù)，可由和計(jì)算。
雷諾數(shù)：
查找相關(guān)文獻(xiàn)[4]得一般發(fā)酵液的密度， 黏度，選取六葉直葉渦輪，，漿直徑，漿寬，擋板數(shù)，攪拌軸的轉(zhuǎn)速，擋板寬度取。
存在擋板時(shí)符合全擋板條件。
（2.9）
該流動(dòng)屬于層流流動(dòng)。
（2.10）
?。?.11）
（2.12）
當(dāng)則的算式中包含四次方的項(xiàng)可忽略。
?。?.13）
（2.14）
2.6 三層攪拌槳功率計(jì)算
液面高度計(jì)算：
（2.15）
最下一層離罐底，上面二層均以安裝
當(dāng)
當(dāng)
表1攪拌槳位置設(shè)定表
i
1
2
3
4
5
6
hi
0.25D
0.33D
0.33D
0.33D
0.33D
0.49D
αi
0.945
1
1
1
1
1
（2.16）
（2.17）
攪拌功率：
（2.18）
取
其中：——減速器傳動(dòng)效率
——滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率
——滑動(dòng)軸承傳動(dòng)效率
（2.19）
查表[5]取電機(jī)功率為,Y225S-4電動(dòng)機(jī)。
2.7 接管計(jì)算
由于本設(shè)計(jì)設(shè)備屬于間歇操作設(shè)備，不應(yīng)考慮流量，所以接管直徑不用計(jì)算得出，而是由經(jīng)驗(yàn)選取。
2.8 攪拌罐工藝參數(shù)
表2 發(fā)酵罐工藝數(shù)據(jù)表
由以上計(jì)算，獲得的工藝計(jì)算數(shù)據(jù)如下表：
設(shè)備名稱
發(fā)酵罐
10立方米
1800
筒體高度（mm）
3900
夾套直徑（mm）
1900
裝料系數(shù)
0.864
軸封功率kw
0.344
雷諾數(shù)
22.248
液面高度（mm）
3281
攪拌功率kw
32.35
電機(jī)功率kw
37
符號(hào)
尺寸
用途
連接型式
a
出料口
b1,2
/
c
d1~4
e1~4
f
進(jìn)氣口
g
h1~4
j
加料口
k
接種口
m
500
表2 發(fā)酵罐工藝數(shù)據(jù)表（續(xù)）
n1~2
125
視鏡
r
/
s
RF
t
/
外螺紋
u
PN6DN50
RF
3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算
工藝給定的工作壓力為0.2MPa,介質(zhì)密度
液柱靜壓力：
（3.1）
設(shè)計(jì)壓力為最高工作壓力的1.1倍[6]，則：
（3.2）
液柱靜壓力：
（3.3）
計(jì)算壓力:
（3.4）
3.1 受內(nèi)壓的筒體壁厚計(jì)算
內(nèi)容器材料選擇，取，根據(jù)[7]，焊接系數(shù)，取，壁厚按下式計(jì)算：
（3.5）
名義厚度
（3.6）
3.2 受外壓的筒體壁厚計(jì)算
夾套高度取。
設(shè)內(nèi)筒名義厚度，設(shè)計(jì)厚度：
（3.6）
內(nèi)筒體外徑：
（3.7）
內(nèi)筒體計(jì)算長(zhǎng)度
其中，
圖2夾套筒體簡(jiǎn)圖
查閱[8]，如下表，
表3抗拉強(qiáng)度表
序號(hào)
鋼號(hào)
（）
設(shè)計(jì)溫度范圍
參考《過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)》[9]，查下表，外壓應(yīng)變系數(shù)，
許用外壓力:
（3.8）
許用外壓力，此時(shí)，不符合強(qiáng)度要求。
其中，夾套設(shè)計(jì)壓力
取，，
內(nèi)筒體計(jì)算長(zhǎng)度
，查《過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)》，由圖外壓應(yīng)變系數(shù),查表 。
（3.9）
符合強(qiáng)度條件，內(nèi)筒體壁厚取。
筒體內(nèi)的水壓校核：
（3.10）
其中：——耐壓試驗(yàn)壓力系數(shù)，取
——常溫下材料的許用壓力，取
——設(shè)計(jì)溫度下材料的許用壓力，取
水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核：
（3.11）
其中：——有效厚度，
（3.12）
液壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)滿足：
（3.13）
其中，——屈服強(qiáng)度，
根據(jù)上述計(jì)算，筒體水壓試驗(yàn)在的情況下能夠滿足強(qiáng)度要求。
圖3外壓應(yīng)變系數(shù)A曲線
圖4外壓應(yīng)變系數(shù)B曲線
3.3 封頭內(nèi)壓計(jì)算
受內(nèi)壓橢圓形封頭
封頭計(jì)算厚度按下式計(jì)算：
（3.14）
其中——橢圓形封頭形狀系數(shù) （3.15）
，內(nèi)壓計(jì)算壓力
（3.16）
名義厚度：
（3.17）
3.4 封頭外壓計(jì)算
假設(shè)封頭壁厚
（3.18）
（3.19）
外封頭短軸長(zhǎng)度按下式：
（3.20）
（3.21）
當(dāng)量球殼半徑：
（3.22）
其中——由橢圓形長(zhǎng)短軸比值決定的系數(shù)，見(jiàn)下表：
表4系數(shù)K值表
外壓應(yīng)變系數(shù)，查表
（3.23）
由此，取封頭壁厚，符合強(qiáng)度要求。
3.5 帶夾套筒體的壁厚計(jì)算
夾套材料選擇,其
夾套筒體壁厚 采用雙面焊，局部探傷檢測(cè)，查《過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)》，。
夾套內(nèi)工作壓力，介質(zhì)密度
液柱靜壓力：
（3.24）
設(shè)計(jì)壓力：
（3.25）
（3.26）
計(jì)算壓力=設(shè)計(jì)壓力。
（3.27）
取鋼板負(fù)偏差，腐蝕裕量，帶夾套筒體的名義厚度,。
3.6 帶夾套封頭的壁厚計(jì)算
帶夾套封頭的壁厚采用檢測(cè)，取，按下式計(jì)算：
（3.28）
計(jì)算厚度，取帶夾套處的壁厚為。
夾套內(nèi)的水壓校核：
（3.29）
其中：——耐壓試驗(yàn)壓力系數(shù)，取
——常溫下材料的許用壓力，取
——材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用壓力，取
水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核：
（3.30）
其中：——有效厚度，
液壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)滿足：
（3.31）
其中，——屈服強(qiáng)度，
根據(jù)上述計(jì)算，夾套水壓試驗(yàn)?zāi)軌驖M足強(qiáng)度要求。
3.7 支座選擇
根據(jù)工藝需求，由JBT4712.1-4712.4-2007《壓力容器支座》[10]，選擇支座為支承式支座，支座號(hào)4。
圖5支撐式支座B系列
支撐式支座實(shí)際承受的載荷按下式計(jì)算：
（3.32）
其中：——支座承受的載荷，
——支座安裝尺寸，mm；對(duì)B型支座，，查表得
——重力加速度，?。?
——偏心載荷，;
——水平力作用點(diǎn)至底板的高度，mm
——不均勻系數(shù)，安裝三個(gè)時(shí)，取；安裝三個(gè)以上時(shí)，取；
——設(shè)備總質(zhì)量（包括殼體及其附件，內(nèi)部介質(zhì)及保溫層的質(zhì)量），；
——支座數(shù)量；
——水平力，取和的大值，
——水平地震力，
（3.33）
——地震影響系數(shù)，對(duì)7,8,9設(shè)防列度分別取0.08（0.12）、0.16（0.24）、0.32；
——水平風(fēng)載荷，
（3.34）
——容器外徑，mm，有保溫層時(shí)取保溫層外徑；
——風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按設(shè)備質(zhì)心所處高度?。?
表5對(duì)B類地面粗糙度
設(shè)備質(zhì)心所在高度，m
風(fēng)壓高度變化系數(shù)，
——容器總高度，mm
——10m高度處的基本風(fēng)壓值，
——偏心距，mm。
選用B4型支座，墊板，支座允許的載荷，偏向載荷,偏心距，。
設(shè)備總質(zhì)量：
1) 封頭質(zhì)量：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T25198-2010《壓力容器封頭》選取
（3.35）
2) 筒體質(zhì)量：
（3.36）
3) 攪拌軸及其附件質(zhì)量在攪拌軸設(shè)計(jì)部分計(jì)算：
（3.37）
4) 夾套質(zhì)量：
（3.38）
5) 容器內(nèi)介質(zhì)質(zhì)量：
（3.39）
6) 法蘭質(zhì)量：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)HG/T20592-2009《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》[11]
（3.40）
7) 接管質(zhì)量：根據(jù)GB/T17395-2008《無(wú)縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差》[12]
（3.41）
設(shè)備總質(zhì)量：
（3.42）
地震載荷：
（3.43）
由于所設(shè)計(jì)的設(shè)備為室內(nèi)設(shè)備，無(wú)需計(jì)算風(fēng)載荷
水平力：
（3.44）
取4個(gè)支座，即
承受載荷：
（3.45）
綜上，，滿足要求。
查詢?cè)试S垂直載荷
封頭有效厚度：
（3.46）
由插值法求得
,綜上，四個(gè)B4支座滿足封頭允許垂直載荷的要求。
圖6鋼制立式圓筒形焊接容器
3.8 法蘭的選擇
由文獻(xiàn)HG 21564-95《攪拌傳動(dòng)裝置—凸緣法蘭》[13],選擇R型凸緣法蘭。
表6 R型凸緣法蘭尺寸表 mm
凸緣法蘭公稱直徑DN
515
42
85
2
螺栓
質(zhì)量 kg
數(shù)量
螺紋
碳鋼或整體不銹鋼
不銹鋼襯里
M24
46
圖7R型凸緣法蘭
3.9 安裝底蓋的選用
選用依據(jù)：《攪拌傳動(dòng)裝置—安裝底蓋》[14]，選用安裝底蓋公稱直徑為400mm的底蓋。
圖8 上裝式凸面安裝底蓋
表7 底蓋尺寸表
安裝底蓋公稱直徑DN
機(jī)架公稱直徑
K
螺栓孔
螺紋孔
S
數(shù)量
數(shù)量
400
400
565
515
16
26
415
—
—
—
—
3.10 機(jī)架的選擇
根據(jù)參考文獻(xiàn)HG 21566-95《攪拌傳動(dòng)裝置—單支點(diǎn)機(jī)架》[15]，選擇LDJ90單支點(diǎn)機(jī)架。
圖9LDJ單支點(diǎn)機(jī)架
表8LDJ單支點(diǎn)機(jī)架尺寸表
型號(hào)
H1
H3
H4
H5
H6
輸入端接口
D1
D2
D3
n1-M
DJ,LDJ90A
519
22
28
7
8
400
450
490
12-M16
3.10 人孔選擇
由[16]，選擇凸面型回轉(zhuǎn)蓋板式平焊法蘭人孔。
圖9 回轉(zhuǎn)蓋板式平焊法蘭人孔
表9 回轉(zhuǎn)蓋板式平焊法蘭人孔尺寸
螺栓
螺母
螺栓
數(shù)量
直徑
×
長(zhǎng)度
總
質(zhì)
量
其中不銹鋼
600
175
20
M20
×
100
——
3.11 密封形式
根據(jù)[17]選擇204單端面小彈簧平衡性機(jī)械密封。
圖10 204型機(jī)械密封
表10 204型機(jī)械密封及法蘭連接尺寸
攪拌軸軸徑
12-18
4 攪拌軸設(shè)計(jì)[18]
4.1 按扭轉(zhuǎn)變形計(jì)算攪拌軸直徑
受扭轉(zhuǎn)變形控制的軸徑按下式計(jì)算：
（4.1）
攪拌軸傳遞的最大扭矩，
（4.2）
其中，——材料彈性模量，取，泊松比
——軸材料的剪切模量，按下式計(jì)算：
（4.3）
——空心軸內(nèi)徑與外徑的比值，攪拌軸為實(shí)心軸，取
（4.4）
按照扭轉(zhuǎn)變形計(jì)算的軸徑取。
根據(jù)軸徑計(jì)算的扭轉(zhuǎn)變形時(shí)，軸的扭轉(zhuǎn)角需滿足以下要求：
（4.5）
其中，——許用扭轉(zhuǎn)角，對(duì)于單跨梁，
4.2 根據(jù)臨界轉(zhuǎn)速校核攪拌軸軸徑
4.2.1 攪拌軸有效質(zhì)量計(jì)算
剛性軸的有效質(zhì)量等于軸自身的質(zhì)量加上軸附帶的液體質(zhì)量。
對(duì)于單跨軸：
（4.6）
機(jī)架選取單支點(diǎn)機(jī)架，上封頭到軸承的距離取，軸材料密度，發(fā)酵液密度
，兩軸承之間的軸長(zhǎng)：
（4.7）
（4.8）
圖11 單跨軸攪拌典型受力力學(xué)模型
4.2.2 圓盤(pán)有效質(zhì)量計(jì)算
剛性攪拌軸的圓盤(pán)有效質(zhì)量等于圓盤(pán)自身質(zhì)量加上攪拌槳附帶的液體質(zhì)量
（4.9）
式中，——第個(gè)攪拌槳的附加質(zhì)量系數(shù)，按表查的
表11 攪拌槳附加質(zhì)量系數(shù)
葉片數(shù)
葉片角
附加質(zhì)量系數(shù)
2
（直葉）
2
（斜葉）
3
（直葉）
3
（斜葉）
4
（直葉）
4
（斜葉）
6
（直葉）
6
（斜葉）
——第個(gè)攪拌槳直徑（）
——第個(gè)攪拌槳的葉片寬度，見(jiàn)下圖取
（4.10）
4.2.3 作用集中質(zhì)量的單跨軸一階臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算
兩端簡(jiǎn)支的等直徑單跨軸，軸的有效質(zhì)量在中點(diǎn)處的相當(dāng)質(zhì)量可以按下式計(jì)算：
（4.11）
第個(gè)圓盤(pán)有效質(zhì)量在中點(diǎn)處的相當(dāng)質(zhì)量按下式計(jì)算：
（4.12）
——單跨軸第個(gè)圓盤(pán)至傳動(dòng)側(cè)軸承距離與軸長(zhǎng)的比值，按下式計(jì)算：
（4.13）
圖12 兩端簡(jiǎn)支的單跨軸
其中，——個(gè)圓盤(pán)的每個(gè)圓盤(pán)至傳動(dòng)側(cè)軸承的距離。
（4.14）
在處總的相當(dāng)質(zhì)量按下式計(jì)算：
（4.15）
臨界轉(zhuǎn)速：
（4.16）
屬于剛性軸葉片式攪拌槳。根據(jù)臨界轉(zhuǎn)速所計(jì)算的攪拌軸軸徑取。
4.3 按強(qiáng)度計(jì)算攪拌軸的軸徑
受強(qiáng)度控制的軸徑應(yīng)按下式計(jì)算：
（4.17）
式中——軸上扭矩和彎矩同時(shí)作用時(shí)的當(dāng)量扭矩（）
（4.18）
——軸材料的許用剪切應(yīng)力（）
（4.19）
軸上扭矩按下式計(jì)算：
（4.20）
式中：——括傳動(dòng)側(cè)軸承在內(nèi)的傳動(dòng)裝置效率取
軸上彎矩總和按下式計(jì)算：
（4.21）
徑向力引起的軸上彎矩的計(jì)算
單跨攪拌軸，徑向力引起的軸上彎矩按下式計(jì)算：
（4.22）
第個(gè)攪拌槳上的流體徑向力，按下式計(jì)算：
（4.23）
式中，——流體徑向系數(shù)，按下式計(jì)算：
（4.24）
取，取
（4.25）
——第個(gè)攪拌槳功率產(chǎn)生的扭矩（），按下式計(jì)算：
（4.26）
——第個(gè)攪拌槳的攪拌功率：
（4.27）
為攪拌軸功率，由工藝過(guò)程確定，取
（4.28）
攪拌軸與各層圓盤(pán)的組合質(zhì)量按下式計(jì)算：
單跨軸：
（4.29）
單跨軸段軸的質(zhì)量：
（4.30）
——第個(gè)攪拌槳質(zhì)量，取
（4.31）
攪拌軸與各層圓盤(pán)組合質(zhì)量偏心引起的離心力按下式計(jì)算：
（4.32）
（4.33）
，
（4.34）
攪拌軸與各層圓盤(pán)組合重心距離軸承距離按下式計(jì)算:
（4.35）
（4.36）
工作壓力,取
（4.37）
（4.38）
根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算的攪拌軸軸徑取。
4.4 應(yīng)按軸封處允許徑向位移驗(yàn)算軸徑
因軸承徑向游隙所引起軸上任意點(diǎn)軸承距離處的位移。
（4.39）
式中，軸徑取，徑向游隙按下表選?。?
表12軸承徑向游隙
軸承型式
軸徑
滾動(dòng)
滑動(dòng)
由流體徑向作用力所引起軸上任意點(diǎn)距離軸承處的距離
兩端簡(jiǎn)支的單跨軸
當(dāng)時(shí)：
（4.40）
慣性矩：
（4.41）
（4.42）
由攪拌軸及各層圓盤(pán)組合質(zhì)量偏心引起的離心力在軸上任意點(diǎn)距離軸承處產(chǎn)生的位移。
（4.43）
式中是位置系數(shù)。
當(dāng)時(shí)：
（4.44）
（4.45）
總位移按下式計(jì)算：
剛性軸：
（4.46）
驗(yàn)算應(yīng)滿足下列條件：
式中為軸上任意處的允許徑向位移，按下式計(jì)算：
（4.47）
（4.48）
滿足強(qiáng)度條件。由軸封處允許的徑向位移求得軸徑。
綜上所述，最終取得攪拌軸軸徑。
5 攪拌槳計(jì)算
5.1 確定攪拌槳設(shè)計(jì)功率
電機(jī)計(jì)算功率由工藝計(jì)算已確定，取。
軸封處摩擦損耗功率，選取單端面機(jī)械密封，按下式計(jì)算：
（5.1）
5.2 每層攪拌槳的設(shè)計(jì)功率
對(duì)型式、規(guī)格相同的攪拌槳，每層的設(shè)計(jì)功率也相同，其值按下式計(jì)算：
（5.2）
其中：——電機(jī)產(chǎn)品系列中的額定功率，由工藝取得
——軸上相同攪拌槳的層數(shù)，由工藝取得
每個(gè)槳葉強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)功率按下式計(jì)算：
（5.3）
其中：——攪拌槳的槳葉數(shù)，取6。
5.3 攪拌槳槳葉材料的許用應(yīng)力
按下列規(guī)定確定：
彎曲許用應(yīng)力按下式計(jì)算：
（5.4）
安全系數(shù)按表取規(guī)定值。
表13常用材料安全系數(shù)
材料
不銹鋼
鑄不銹鋼
碳鋼
鑄鋼
鑄鐵
鋁
鑄鋁
攪拌槳槳葉材料為不銹鋼，取，查表抗拉強(qiáng)度
（5.5）
5.4 圓盤(pán)渦輪式攪拌槳計(jì)算
斷面的彎矩按下列規(guī)定計(jì)算
對(duì)于直葉、彎葉，在斷面的彎矩按下式計(jì)算：
（5.6）
式中：
（5.7）
式中：——攪拌槳半徑,查表取
——攪拌槳葉根半徑，查表取
——渦輪式攪拌槳的圓盤(pán)外半徑，查表取
（5.8）
斷面的抗彎斷面模數(shù)按下列規(guī)定計(jì)算
于直葉、彎葉、斜葉，在抗彎斷面模數(shù)按下式計(jì)算 ：
（5.9）
式中：——槳葉寬度，查表取
——槳葉的有效厚度
（5.10）
——槳葉的名義厚度，查表取
斷面的彎曲應(yīng)力應(yīng)滿足下列要求
（5.11）
滿足要求。
6 接管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)
根據(jù)中的相關(guān)規(guī)定，殼體開(kāi)孔滿足下述全部要求時(shí)，可以不另外進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)：
1）設(shè)計(jì)壓力
2）兩相鄰開(kāi)孔中心間距（對(duì)曲面間距以弧長(zhǎng)計(jì)算）應(yīng)不小于兩孔直徑的和；對(duì)于三個(gè)或三個(gè)以上相鄰開(kāi)孔，任意兩孔中心的間距（對(duì)曲面間距以弧長(zhǎng)計(jì)算）應(yīng)不小于該兩孔直徑之和的倍。
3）接管外徑小于或等于
4）接管壁厚滿足下表要求，表中接管壁厚的腐蝕裕量為，需要加大腐蝕裕量時(shí)，應(yīng)相應(yīng)增加壁厚。
5）開(kāi)孔不得位于A,B 類焊接接頭。
6）鋼材的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值時(shí)接管與殼體的連接宜采用全焊透的結(jié)構(gòu)型式。
接管外徑
接管壁厚
表14接管壁厚尺寸表
其中接管的直徑都大于，需要進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。
接管材料[19]為,材料許用應(yīng)力，筒體材料為,材料許用應(yīng)力。筒體內(nèi)工作壓力，夾套內(nèi)工作壓力為。
接管：，外伸高度。
開(kāi)孔直徑：
（6.1）
其中，——鋼管內(nèi)徑
——壁厚附加量，
其中，——腐蝕裕量，根據(jù)相關(guān)規(guī)定取
——鋼管負(fù)偏差，取接管壁厚
（6.2）
封頭計(jì)算厚度，由于在橢圓形封頭中心區(qū)域開(kāi)孔，選用等面積補(bǔ)強(qiáng)，所需封頭計(jì)算厚度在以上步驟已計(jì)算。
接管承受內(nèi)壓，設(shè)計(jì)壓力：
（6.3）
強(qiáng)度削弱系數(shù)：
（6.4）
開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積：
（6.5）
其中，——接管有效厚度，
（6.6）
有效寬度按下式確定：
， （6.7）
有效高度，外側(cè)有效高度按下式確定：
， （6.8）
內(nèi)側(cè)有效高度按下式確定：
， （6.9）
有效補(bǔ)強(qiáng)面積
封頭多余金屬面積
封頭有效厚度：
（6.10）
封頭多余金屬面積按下式計(jì)算：
（6.11）
接管計(jì)算厚度：
（6.12）
接管多余金屬面積按下式計(jì)算：
（6.13）
接管區(qū)焊縫面積（焊腳?。?
（6.14）
有效補(bǔ)強(qiáng)面積
（6.15）
因?yàn)?所以無(wú)需另行補(bǔ)強(qiáng)。
接管：，外伸高度
開(kāi)孔直徑：
（6.16）
其中，——鋼管內(nèi)徑
——壁厚附加量，
其中，——腐蝕裕量，根據(jù)相關(guān)規(guī)定取
——鋼管負(fù)偏差，取接管壁厚
（6.17）
封頭計(jì)算厚度，由于在橢圓形封頭中心區(qū)域開(kāi)孔，選用等面積補(bǔ)強(qiáng)，所需封頭計(jì)算厚度在以上步驟已計(jì)算。
接管承受內(nèi)壓，設(shè)計(jì)壓力：
（6.18）
強(qiáng)度削弱系數(shù)：
（6.19）
開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積：
（6.20）
其中，——接管有效厚度，
（6.21）
有效寬度按下式確定：
， （6.22）
有效高度，外側(cè)有效高度按下式確定：
， （6.23）
內(nèi)側(cè)有效高度按下式確定：
， （6.24）
有效補(bǔ)強(qiáng)面積
封頭多余金屬面積
封頭有效厚度：
（6.25）
封頭多余金屬面積按下式計(jì)算：
（6.26）
接管計(jì)算厚度：
（6.27）
接管多余金屬面積按下式計(jì)算：
（6.28）
接管區(qū)焊縫面積（焊腳?。?
（6.29）
有效補(bǔ)強(qiáng)面積
（6.30）
因?yàn)?所以無(wú)需另行補(bǔ)強(qiáng)。
接管：，外伸高度
開(kāi)孔直徑：
（6.31）
其中，——腐蝕裕量，根據(jù)相關(guān)規(guī)定取
——鋼管負(fù)偏差，取接管壁厚
（6.32）
接管承受內(nèi)壓，設(shè)計(jì)壓力：
（6.33）
強(qiáng)度削弱系數(shù)：
（6.34）
開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積：
（6.35）
其中，——接管有效厚度，
有效寬度按下式確定：
， （6.36）
有效高度，外側(cè)有效高度按下式確定：
， （6.37）
內(nèi)側(cè)有效高度按下式確定：
， （6.38）
有效補(bǔ)強(qiáng)面積
封頭多余金屬面積
封頭有效厚度：
（6.39）
封頭多余金屬面積按下式計(jì)算：
（6.40）
接管計(jì)算厚