加油站是石油产业链和价值链的重要环节，埋地油罐是储存汽、柴油等成品油的重要设备，由于罐内洁净程度直接影响油品质量，因此，需要对其进行清洗。考虑到缩短油罐清洗时间的必要性和紧迫性，以及作业人员的人身安全，机械清洗技术开始在加油站埋地油罐的清洗中推广和应用[1]。虽然目前国内已有少数几家公司推出了机械清洗全套设备，但其中核心部件的旋转喷头几乎全部依赖国外进口，如美国Gamajet公司（现被瑞典AlfaLaval公司收购）的10型、美国Stoneage公司的TR130型、德国GEA公司的Twister型和美国Butterworth公司的LT型等，价格十分昂贵。而且由于旋转喷头内部组成主要为精密机械传动部件，必须保证各零件之间的精确装配，从而增加了其设计和加工制造难度，一定程度上影响了旋转喷头在加油站埋地油罐清洗中的推广应用。鉴于此，设计研制了一种适用于加油站埋地油罐机械清洗用旋转喷头，针对喷嘴出口处任意一点的运动轨迹进行仿真模拟，并进行了样机运行测试试验，以期打破国外公司在此领域的垄断地位，加快推动机械清洗全套设备的国产化进程。
1结构设计
1.1主体尺寸
加油站埋地油罐为固定顶的卧式常压罐，罐容为20~50m3，直径为2.2~2.4m，罐顶一般设置有1~2个直径为600mm的人孔。相比大型原油储罐，其体积较小，储存的油品多为轻质油。虽然所需喷射清洗压力较低，但对罐壁清洗覆盖度要求较高[2]，通常仅在人孔处安装一个旋转喷头，借助喷嘴旋转运动产生的空间球形射流轨迹即可满足清洗要求。由于加油站埋地油罐人孔处操作空间有限，因此对喷头整体结构的紧凑性要求较高。为此，参照美国Gamajet公司10型旋转喷头产品的相关技术参数，将主体周向尺寸确定为100mm，喷头壳体外径取为60mm，长度约为300mm，初步确定其外形尺寸（图1），喷头入口处与供水管通过锥管螺纹连接。依据各零部件的不同功能，将旋转喷头内部结构依次分为动力、传动和执行3部分，显然，在狭小的喷头壳体空间内，必须保证各零部件之间的精密装配，以确保喷头正常平稳运行。
1.2动力部分
动力部分位于喷头入口端，考虑到加油站处于充满油气等爆炸性气体的危险环境，因此采用较为安全的水力驱动方式。动力部分主要包括导流定子、叶轮和输入轴。一定压力和流速的流体推动叶轮旋转，将水流的压力能转化为叶轮的动能，使叶轮及与之连接的输入轴旋转，将动力传递至传动部分。1.2.1叶轮转子水流沿旋转喷头入口轴向进入冲击叶轮使之实现旋转运动，其工作原理类似水力发电用轴流式水轮机。因此，参考轴流式水轮机叶片的设计方法，采用等螺距等厚度叶片型式，叶片型线为最简单的圆弧线。将叶片曲面视为与圆柱面相交于一点的一条空间直线沿圆柱面上一条光滑曲线连续运动所形成的轨迹，该曲面被两个同心但直径不同的圆柱面所截取的部分称为叶片工作曲面。叶片曲面与内外圆柱面的交线分别为内准线和外准线。叶片的主要参数可反映在其内准线上，主要包括叶片出口角，叶片高度h，叶片包弧长l，当准线的类型确定后即可在坐标系中由这3个参数画出准线[3]（图2）。1.2.2导流定子为了增大水力冲击叶轮所产生的转矩，应使水流在叶片表面上等效集中力的作用点靠近叶片外缘，并减小叶轮的轴向分力以降低水流能量损失，从而提高能量转化率，因此在叶轮前端安装有一个导流定子。导流定子上开有8个直径为5mm的均布斜通孔，其轴线与水平方向的夹角为60°（图5）。
1.3传动部分
1.3.1行星齿轮减速装置为提供足够大的射流打击力以有效清除罐壁污垢，喷头入口处须保持较高的水流压力。在高压水流作用下叶轮转速可达几千转，因此必须在动力传动过程中设置减速机构，防止由于输出端喷嘴的转速过大使射流在罐壁的驻留时间减小，从而影响了清洗效果[4]。通过对多级行星轮系、蜗轮-蜗杆、交错齿轮系等多种减速传动形式进行对比分析，最终确定采用四级NGW型微型行星轮系。所有齿轮模数均为0.4，每级共用同一个内齿圈以尽量减小减速器外形尺寸，同时更好地满足密封性要求[5]。1.3.2锥齿轮旋转喷头中喷嘴的自转运动可通过两相交轴或交错轴来实现，常见的结构有锥齿轮和蜗轮-蜗杆。综合考虑加工制造难度和传动效率等因素，决定采用轴间夹角为90°的两直齿锥齿轮结构形式。为了提高锥齿轮传动的平稳性和承载能力，应增大锥齿轮传动的重合度，即增加两锥齿轮齿数，并使传动比尽可能接近1[6]。本设计中主动锥齿轮齿数为54，从动锥齿轮齿数为53，模数均为1。
1.4执行部分
执行部分主要包括喷嘴和喷嘴座，喷嘴是进行射流能量转换从而形成水射流冲击力的元件，虽然尺寸较小，但作用相当重要。本设计采用直线型喷嘴，其内部为平直型流道结构（图6），流道长度为24mm。在大径段内安装有一个小型导流定子，使水射流分布更均匀、扩散性更好[7-8]。除了需要满足结构要求外，喷嘴安装形式和数量也同样重要。通常在喷嘴座上沿周向均布安装2~3个喷嘴，以抵消水射流对喷嘴的反作用力，通过啮合锥齿轮的转动实现喷嘴的自转。实际上，还可将多个喷嘴相对喷嘴座中心偏置反对称安装，利用水射流反冲作用力形成的转矩使喷嘴自转[9]。虽然这种驱动形式可代替锥齿轮以简化喷头内部结构，但喷嘴转速易受水流流量波动的影响，进而影响了喷嘴的运行状态和清洗作业效果。至于喷嘴安装数量，虽然安装3个喷嘴所形成的射流轨迹的密度比两个喷嘴的高1/3，清洗时间更短，但当喷嘴结构和状态参数一定时，两个喷嘴比3个喷嘴产生的射流打击力更强，因此对于大多数清洗作业而言，使用两个喷嘴即可满足清洗要求。
2喷嘴运动轨迹仿真和运行测试试验
2.1喷嘴运动轨迹仿真
运动仿真的主要目的是模拟生成喷嘴旋转运动的轨迹曲线，为工程应用提供必要参考。首先借助Pro/EWildfire软件完成旋转喷头零件的虚拟装配（图7），再利用Mechanism模块进行运动学仿真，取喷嘴出水口边缘任意一点作为研究对象，模拟生成其旋转运动轨迹曲线[10]。理论上，喷嘴运动轨迹曲线的形成受其公转和自转速度及运行时间的影响，而已知输入轴转速、齿轮减速器总传动比和锥齿轮传动比即可计算出喷嘴公转和自转速度。本设计中旋转喷头的总传动比为i=205，锥齿轮传动比ia=53/54，输入轴转速和运行时间为变量。为此，取输入轴转速vi=1500r/min，运行时间T分别取1200s、1500s和2400s，形成不同的运动轨迹曲线（图8）。由图8可知，喷嘴运动轨迹为空间球形包络面，当其他参数一定时，随着喷嘴运行时间增长，空间包络面趋于完整，曲线越密集[11-12]。但运行时间过长也会使射流轨迹重叠，造成对同一位置的重复清洗，影响清洗效率。因此，喷头运行时间通常以30~40min为宜。在运动仿真过程中，将运行时间设定为1200s，锥齿轮传动比分别设定为9/10、9.5/10和10/9.5，其他参数不变，得出不同的轨迹曲线（图9）。由图9可知，锥齿轮传动比越接近1，轨迹曲线越密集。而且锥齿轮传动比应小于1，以使喷嘴公转速度小于其自转速度，这一规律可为锥齿轮齿数的选取提供指导。此外，输入轴转速越大，运动轨迹曲线也越完整。可通过改变增压泵输出流量来调节输入轴转速，以使旋转喷头的工作状态达到最佳。
2.2运行测试试验
为了验证旋转喷头的性能，需要对其进行测试试验（图10）。试验装置主要由旋转喷头、支架、清水箱、螺杆泵和管件组成。水箱容积为1.2m3，管路采用直径为3.8cm的高压油管，螺杆泵最大流量为8m3/h，最高压力1.2MPa。受螺杆泵最高压力限制，旋转喷头入口压力最大约为1.0MPa，此时喷嘴喷射半径可达5~6m。从测试试验效果来看，对于直径通常为2m左右的加油站埋地油罐而言，当旋转喷头出口压力足够大时，即可实现喷嘴更远距离的喷射，进而满足更高的清洗作业要求。另外，对比所参照的Gamajet10型旋转喷头的运行参数(工作压力0.28~5.2MPa、典型运行压力1.2~1.4MPa)，本设计也能实现对罐内较为彻底的清洗。喷头运行过程中喷嘴自转速度约为8r/min，已知减速器总传动比为205，锥齿轮传动比为53/54，可计算出输入轴转速约为1609r/min。此数值与喷嘴运动轨迹仿真时所设定的输入轴转速1500r/min相近，可见上述运动仿真得出的运动轨迹曲线能够较真实地反映出喷嘴的实际运动过程，具有一定的参考价值。运行测试试验结果表明，旋转喷头能够实现旋转和喷射功能，并且其运行状态参数与国外具有代表性的Gamajet10型旋转喷头相接近，表现出了较好的工作性能。通过试验总结出在旋转喷头设计过程中需要注意的两大关键点：应保证各转动部件之间的完好密封以减少或避免泄漏发生；应保证喷头内部各零件之间的精密配合，尤其是两锥齿轮间的完好啮合，这对于能否实现喷嘴自转至关重要。
3结论
旋转喷头是加油站埋地油罐机械清洗作业中的核心部件，从动力、传动和执行3部分对其内部结构进行了设计计算，建立了较为完整的设计计算方法。借助三维实体造型软件Pro/E对旋转喷头进行了虚拟装配和运动仿真，模拟出喷嘴的运动轨迹曲线为空间球形包络面。喷头输入轴转速和运行时间越长，锥齿轮传动比越接近1，喷嘴运动轨迹曲线的完整性和密集程度越高，从而表明喷射水流对罐壁的覆盖程度越好。旋转喷头运行测试试验的成功表明其结构设计合理、可行，这对于实现其国产化，进而推动机械清洗技术在加油站埋地油罐等卧式储罐以及其他小型密闭容器清洗中的应用具有重要意义。
作者：石熠 陈家庆 孔祥功 潘泽昊 方相久 单位：北京石油化工学院机械工程学院
