专利名称：超低浴比三级叶轮泵染纱机的制作方法
技术领域：
本发明涉及染纱机的设计领域，特别涉及超低浴比三级叶轮泵染纱机。
背景技术：
传统筒子纱染色机的缺点是浴比大、耗电大、用染化料助剂多、工艺时间长。一公 斤纱锭需要大于8公斤水，实际使用时，纱锭在湿透水的饱和状态下，染色水浸泡半个纱
目前国内染整设备存在如下问题(1)染整设备效率低、工艺时间长，传统溢流染 色机每染一缸布所需时间约为8-10个小时，染色周期长，耗时比国外制造的染整设备长 3 4个小时。(2)污染大，每缸染色需要染料助剂量多。(3)耗水量大，传统溢流染色机每 公斤织物的耗水量大，比国外制造的染整设备浪费水大约为47%。(4)耗电量大，传统溢流 染色机每千公斤织物的耗电量约380度电，比国外产染整设备浪费约47%。由于传统筒子纱染色机的缺点是浴比大、耗电大、用染化料助剂多、工艺时间长。 一公斤纱锭需要大于8公斤水，实际使用时，纱锭在湿透水的饱和状态下，染色水浸泡半个 纱架，极大地浪费了资源。传统筒子纱染色机的浴比通常为1 5，某些经过改进的筒子纱 染色机的浴比可以降低到1 4，简称为低浴比筒子纱染色机，而浴比低于1 3的超低浴 比筒子纱染色机一直是各生产企业研究的方向，至今还没能实现。筒子纱染色与其它高能耗、高污染行业一样，节能减排是其未来发展的主要目标。 通过染色工艺的改进、染色设备结构性能的提高和设计优化，降低加工过程中的水、蒸汽、 电、染化料消耗，减少污水排放，是一条实现节能减排的有效途径。经过长期的实践应用，人 们掌握了一些对染色性能有较大影响的参数，并对其采取相应的控制方式，既可满足染色 的质量要求，又能在一定程度上达到节能减排的效果。小浴比条件下的染色，不仅能够节省 水和蒸汽、减少排放，而且还可提高活性染料的直接性，减少对盐类的依存性，降低盐类的 消耗和污水助剂的含量。因此，小浴比是筒子纱染色节能减排的一个主要特征。而其中染 液完全不浸泡纱锭的超浴比染纱机更成为研究的热点。主泵是漂染液循环的动力源，其性能好坏直接关系到漂染效果的好坏，高温高压 筒子纱循环泵的扬程是筒子纱染色质量非常重要的参数，扬程太小染液不能穿透染缸内的 每个纱锭，染完的纱存在色差和染色不勻，扬程太大不仅浪费能源，还会由于染液对纱线的 强力冲击致使纱线的强力伸长率降低，纱线表面起毛影响织造效果。因此，根据织物工艺需 要合理控制扬程参数，而目前的染纱机在1 3超低浴比时，主泵扬程很难满足染色工艺要 求。因此，需要提供一种在超低浴比工艺下仍能够实现高扬程的三级叶轮泵染纱机。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供超低浴比三级叶轮泵染 纱机，该发明能够在染纱机中的染液低于纱锭时仍能够满足染纱机所要求的扬程，从而实现染纱机的超低浴比，使染料、助剂、能源、水资源的消耗达到最低，实现节能减排的目的。本发明的目的通过以下的技术方案实现超低浴比三级叶轮泵染纱机，包括染缸、 纱架、叶轮泵、热交换盘管，所述纱架固定在染缸内，所述纱架上的纱杆中空，纱杆底部与染 缸内的染液输出通道相通，纱架底部是纱架盘，纱架盘上有孔与染缸内的染液输入通道相 通，叶轮泵设置于整个染缸的下面，热交换盘管设置于染缸内的底部，所述叶轮泵为三级叶 轮泵，其泵轴与内部电机轴同轴连接，染缸与三级叶轮泵的入口相连；所述三级叶轮泵沿染 液流向依次包括轴流级、离心级、固定导流叶轮级，即在整个染纱过程中，染缸内的染液始 终不超过纱架盘，浴比小于1 3(即实现超低浴比，在整个染纱过程中，染液始终在纱锭以 下，不浸泡纱锭)。所述轴流级和离心级通过同一传动轴依次与电机相连，所述轴流级和离心级的叶 片固定在传动轴上；所述染液经过流入通道流入轴流级，从轴流级流出的染液直接进入离 心级的输入口，从离心级流出的染液经过固定导流叶轮级后进入流出通道，所述固定导流 叶轮级设置在离心级输出端与染液流出通道接口处；所述染液流入和流出的通道相互隔 离；轴流级、离心级、固定导流叶轮级均设置于导流外壳内。所述三级叶轮泵通过喇叭管与染缸相连，喇叭管内设有两个独立的腔体作为染液 流入通道和流出通道，所述染液流入通道内染液的流动方向是从染缸向轴流级流动，流入 通道与轴流级的输入端相连通；染液流出通道内的染液方向是从离心级经由固定导流叶轮 级后流向染缸，流出通道与离心级的输出端相连通。所述轴流级、离心级的叶轮外壳与叶轮的两相邻表面，均呈球形面。这样保证了叶 片在任何安装角度时，叶轮外圆与外壳之间有很小的间隙，以减少回流水量损失。所述轴流泵的叶片个数为3个。所述离心级的叶片个数为7个。所述固定导流叶轮片焊接固定在导流外壳上，固定导流叶轮片与导流外壳紧固于 叶轮泵机座上。叶轮泵机座、导流外壳、离心泵轴承座在叶轮座外壳上是不动的。固定导流 叶轮片与导流外壳焊接在第一级叶轮泵轴承上，叶片安装角度与离心泵出水方向相反倾斜 45度，这就是固定导流叶轮级在旋转水流冲击下产生第三级的升力扬程作用，把旋转的水 经过固定导流叶轮片后，水就改变流动方向，变成直流水，这就是固定导流叶轮级的技术特 征。所述轴流叶片与第一级叶轮泵轴承之间，设有密封圈，该密封圈内装有铁氟龙 (PTFE)材料，以提高泵压差的密封性。所述轴流泵、离心泵的泵轴与电机轴心通过尼龙销联轴器同轴连接。所述电机采用卧式变频电机直接传动，电机借螺栓紧固于电机座上。在水泵运转 时，其全部轴向力(即水泵叶轮上的水压力和全部水泵转子重量之和)均由电机座内装的 轴承来承受。水泵转子的轴向位移可借传动装置内的螺母来调整，这样就使整个水泵机组 简化，安装维修方便可靠。三级叶轮泵运行原理第一级轴流级轴流级采用不锈钢制成，由两端轴承支承，一端由电机直接驱动，运转过程中，轴 流级叶轮提供第一级吸附进水起到抽水扬程作用，与离心级挨着将纱缸回流水抽水给离心级，由于泵内充满液体，离心级叶轮快速转动，叶轮的叶片驱使液体抽水转动，液体转动时 依靠惯性向叶轮外缘流去，同时叶轮从吸入室吸进液体，在这一过程中，叶轮中的液体绕流 叶片，在绕流运动中液体作用升力于叶片，反过来叶片以一个与此升力大小相等、方向相反 的力作用于液体，这个力对液体做功，使液体得到能量而流出叶轮，这时液体的动能与压能 均增大。在变频电机带动下，轴流级叶片甩出水运送到离心级的阀口入端全开启时流量增 大，所产生的水流增力加大，形成第一级扬程。第二级离心级离心级紧挨着轴流级，轴流级依靠旋转叶轮的翼形叶栅对绕流液体产生的升力来 传递能量给离心级叶轮。叶轮均经静平衡校正。离心级原理是通过转子(叶轮)高速转动 后将低压流体带动向外甩出到出口汇集挤压，形成高压流体；涡流泵是通过涡轮将外部低 压流体吸入到涡轮腔内逐步向中心挤压后形成中间高压导出形成高压流体。离心级是与轴 流级同轴连接，实质是三级叶轮泵的一种类型。该泵的喷水推进器由进水流道、叶轮、导叶 体和喷口组成。泵特性曲线(扬程一流量曲线、效率一流量曲线、扬程一吸口比转速曲 线)反映了泵的运动参数(转速、周向和轴向速度)的数学模型，可以度量出泵的性能，包 括能量转换效能、推进性能和抗空化性能等。混合泵采用混流式喷水推进泵的性能曲线，包 括非空化条件下不同转速时的扬程一流量曲线和效率一流量曲线以及空化条件下扬程和 效率随吸口比转速变化的修正函数曲线，得到该喷水推进器在流速范围内用于求解泵的性 能曲线。第三级固定导流叶轮级固定导流叶轮级采用不锈钢制造，叶片用不锈钢做成的叶轮焊接在叶轮座上(或 叶片外壳)，紧固于叶轮座上，叶片与叶轮座相邻表面刻有角度线。叶片安装角度一般为45 度，这个叶片角度与离心级出水方向相反。导流叶轮泵是紧接着离心级的旋转水流逆行导 流，即水流是旋转而导叶轮固定，使到固定导流叶轮级形同一个叶轮泵。当离心级甩出水流 到第三级后，水流是旋转的，导流叶轮是固定在叶轮座的叶轮外壳上，使到水流冲刷导流叶 轮后，旋转的水流顺着导流叶轮甩出而达到水流由旋转变成直流到鹅颈套出口，达到第三 级升压提高升力扬程。采用的三级叶轮泵改为高比转数离心泵(比转数=200 300)，使之特性曲线也 发生了变化。根据叶片离心泵设计理论，在流量与功率特性曲线上，相同条件下离心泵的功 率变化比三级叶轮泵快。由于现在筒子纱染色机主循环泵电机都采用了交流变频技术，通 过转速变化，在保证泵效率不变的条件下，可以给出不同的流量和扬程，所以基于离心泵的 流量.功率变化特点，可以在不同流量下，充分降低功率消耗。离心泵与三级叶轮泵相比，其流量与效率特性曲线也比较平缓，在流量变化的范 围内，偏离最高效率点的范围也不大。这对筒子纱在装载变化或者对遇水容易发生溶胀的 纤维(如粘胶纤维)来说，在流量变化过程中，设备始终有较高的工作效率。本发明采用离心泵加轴流泵的脉动流体动力学原理，具体是采用了伯努利定律流 体动力学方程。伯努利定律是研究流体的流动状态、运动规律、能量转换以及流体与固体壁 面间的相互作用力等问题的方程，包括连续性方程、伯努利方程和动量方程等三大方程，它 们分别解释了稳流时的质量、能量及动量的关系与规律。其中的伯努利方程，用能量守恒定 律解决了液体的流动问题，在液体动力学中占据重要地位。伯努利方程揭示了液体流动过程中的能量变化规律，即流动的液体不仅具有压力能和势位能，而且由于它有一定的流速， 因而还具有动能。假定理想液体在管道中作恒定流动(压力、流速和密度不变化的流动形 式)，得其理想形式为P1+^pvl + Pghl = P2+ ^pv22+ Pgh2( 1)或尸厂 + ^mv2 + mgh =恒量^1P + ^pv2 + pgh = flfi其中=PpP2-过流断面处的压力(液压传动中压力即为物理学中的压强)；V1V2-过流断面处的流量；hp h2-过流断面处距基准液面的高度(取特殊位置水平面作为基准面)；P g—液体的密度和重力加速度。此公式的意义为在密闭管道内作恒定流动的理想液体，其三种形式的能量在流动 过程中可以相互转化，但各个过流断面上能量之和恒为定值。实际流动液体因为有粘性， 所以流动过程中会产生摩擦力，具有能量损失；同时油路中管道的尺寸和形状变化都会使 液流产生扰动，也引起能量损失。又实际流动液体在过流断面上流速(单位时间内流过某 一过流断面的液体体积)不均勻，若用平均流速计算，必然会产生误差，需要加一个修正系 数，因此，实际液体的伯努利方程为P1 + ^a1PV12 +Pghl=P2+^ a2pv22 + pgh2 +I^pw(2 )其中ai、ει2-动能修正系数；Apw-单位体积液体在两过流断面间流动的能量损失。在计算液压系统压力、阀口运动及液体流动过程中能量损失时，都要用到伯努利 方程。伯努利定律理想流体在管子里作稳流时流动速度快的地方静压强小，流动速度 慢的地方静压强大。伯努利方程理想流体作稳流时它的动能、势能和压强的总和保持不变。在设计本发明三级叶轮泵时还有一个重要概念，就是比流量。比流量是筒子纱 染色技术中重要的技术参数，它表征在单位时间内穿过每千克纱线的染液量，其单位是L/ kg ·π η。采用合理的比流量，可增大主泵扬程，从而保证纱线的勻染性和一次染准率，并提 高效率，降低能耗。染色工艺过程三个基本过程吸附、扩散和固着。就是在设定的时间内， 使染料均勻上染并固着在纱线纤维上。按照染色原理，被染物纱线与染料必须不断接触，才 能完成上染的三个基本过程。在这个过程中，除了以温度来控制上染速率外，主要是通过染 液循环以保证整个被染物(纱线)的温度均勻性，以及与染料交换频率均等。因此，比流量 在筒子纱染色中起着非常重要的作用，设备主泵流量选取的主要依据就是比流量。在保证 循环系统有效染液循环率90%以上时，筒子染色机的比流量可以选择在35L/kg*min以上。 由于按此比流量所选取主泵的比转数小于300，属于高比转数的离心泵，因此可以减小主泵 进、出口管径，使得管路中的存水量减少，降低染液浴比。比转数由下面公式给出比转数= 3.65xwx漏(3)比转数低于300具有离心泵功能，高于300属于混合泵，高过500以上属于轴流泵。采用本发明的染纱机的原理是纱锭放进纱架固紧，通过控制电机转速带动三级叶 轮泵喷射到纱架，染液经过纱架喷射到纱锭流出纱层循环回纱缸体内，将染液经过三级叶 轮泵提升染液到30米扬程压力，达到筒子纱染色比流量，染色液体以高速脉流单方向喷射 到纱锭，并完成染料对纱锭的上染过程。在整个染色过程中，水仅仅是作为染料的溶剂和纱 锭浸湿的溶剂。因此，所需的浴比非常低。本发明应用于超低浴比染纱机，使染纱机具有如 下优点(1)节省染料和助剂采用本发明的脉流染纱与普通溢流或喷射染纱的最大不同，就是其能在非常低的 浴比(1 3以下)条件下实现染纱。这种低浴比染纱条件会带来染料对纱锭上染率的 变化，如在活性染料染纱时，染料的直接性随着染纱浴比的降低而提高，使染料对促染剂 (如元明粉、食盐等电解质)的依存性降低，上染率提高，从而较少的固色剂(碱剂)就可以 获得较高的固色率，而固色剂的减少，又可以减少染料的水解。因此，为了控制染料的上染 速率，宜使用直接性较低的活性染料。(2)实现纱锭与染液的勻染在少水浴比过程中，必须通过纱锭与染液足够的交换次数，才能完成染料上染的， 脉流染纱也是依靠这种方式来实现染料对纱锭的上染。显然，单位时间内纱锭与染液的交 换次数越多越有利于勻染和缩短染纱时间。脉流染纱浴比低染液，循环频率高且纱锭带液 量低可使运行速度较快纱锭与染液高频率的交换利于勻染。在适宜的染色工艺支持下，脉 流染纱可以实现快速染纱。该发明是水不浸泡纱锭，染液对纱锭不存在阻力，使纱锭染色具 有更优势上染效果，而且带来省水节电等一系列好处。(3)脉流喷射纱锭循环频率提高普通溢流或喷射染纱设备染纱时，纱锭的运行速度由染液喷射量来决定，染液喷 射量的降低会使纱锭运行速度变慢，且进一步影响纱锭与染液的交换频率。而脉流染纱时， 纱锭循环是靠脉流牵引，染液的循环频率可以根据工艺的需要独立控制，改变染液量，并不 会影响纱锭的循环频率。(4)染料上染纱锭提高吸附、扩散和固着 染纱过程包括染料的吸附、扩散和固着三个基本过程，其中固着过程时间较长，而 染料的吸附和扩散过程与染液和纱锭的相对运动有关。由流体动力学可知，液体的运动黏 度随温度的升高而降低，而脉流的运动黏度却随温度的升高而提高。对于脉流染纱，随温度 升高，染液运动黏度的降低和气体运动黏度的提高，更有利于打破吸附和扩散边界层的动 态平衡，使该边界层厚度变薄，利于染料向纤维内部迁移，从而缩短染纱时间。与此同时，两 种流体运动黏度的变化，还为提高纱锭的运行速度提供了条件。也就是说，在循环流量不变 的情况下，脉流黏度的增加提高了其对纱锭的附着力，使纱锭运行速度加快，更有利于染料 对纱锭的均勻上染。(5)温度保证染纱勻染
由于脉流染纱浴比较低，且储纱架体内纱锭及其吸附的染液与自由染浴(循环染 浴)处于分离状态，所以染纱纱锭经过脉流时的温度总是要高于纱缸体内纱锭的温度，尤 其在快速升温至130°C时，两者的温差可达10°C左右。脉流染纱上染过程中纱锭的均勻性， 通常通过控制纱缸底部热交换盘管使到染液补充温度，使升温速率及纱锭的循环温度速率 来实现。因此，控制纱锭与染液快速交换，既能保证染料勻染，又使纱锭获得均勻的温度染 纱。本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果1、本发明采用三级叶轮泵串联的形式能够达到所要求的扬程，且分别克服轴流泵 和离心泵的缺点，结合二者的长处，使能够在浴比很小，水位只是在纱架之下时，仍能够达 到设定的比流量，纱锭在染色机中快速循环，避免了在低浴比条件下，纱锭易产生层色差的 现象。由于纱锭所含的染液相对较少(储纱架内的纱锭和筒子纱缸染液是分离的)，所以 即使在高温高压染色条件下，也不会对纱锭产生过大的张力，特别是对敏感纱锭(如含氨 纶弹力类纱锭)的湿加工，提供了有利条件。纱锭在高温高压染色和低浴比染液的快速循 环，提高了染色过程中纱锭与染液的交换频率，有利于比流量筒子纱染色表面积、上染速率 快的超细纤维纱锭的勻染。除此之外，纱锭与染液的脉流快速交换频率，伴随着脉流冲洗作 用，在酶处理(如酶退浆、酶煮漂、酶抛光)和原纤维的纤化等工艺中，对加快处理液的反应 速度和提高处理效果，起到了很重要的作用。2、本发明实现了超低浴比。由于采用气体作为驱动纱锭运行的动力，纱锭可以在 无液体的状态下运行，使“具有超低浴比的三级叶轮泵染纱机”可以用最少量的染液进行染 色，染色时的浴比非常小。使用“具有超低浴比的三级叶轮泵染纱机”染纯棉纱锭的浴比 为1 3，染纯涤纱锭的浴比为1 2.5。由于浴比小，染液不浸泡水，循环染液渗透纱锭速 度快，染液阻力少，纱锭在很短的时间内与染液多次交换，提高了染液与纱锭之间的交换频 率，因此可得到更高的染色重现性和一次染色成功率高。超浴比对染色工艺成功染色质量 及重现性的效果好。由于浴比小，三级叶轮泵染色机与传统的液流脉流染色机相比，降低了 工艺过程总的耗水量，并且具有较低的染化料消耗，较低的污水排放量。以染1吨棉纱为例，“具有超低浴比的三级叶轮泵染纱机”与传统液流染色机在水、 电、蒸汽及污水处理方面的成本消耗对比见表1。由于浴比小，染色过程中主缸内没有水， 也就是说纱锭没有浸在染液中，染液的液位低于纱锭，因此，纱锭在提升的过程中不附带过 多的染液、重量较轻，即使在进入脉流前有很高的加速度，纱锭也能在低张力下高温高压染 色，不容易擦伤。同时，纱锭在脉流中主要是靠脉流的，与液流相比，“具有超低浴比的三级 叶轮泵染纱机”脉流对纱锭的作用是比较柔和的，降低了纱锭运行过程中的张力。表1超低浴比的三级叶轮泵染纱机与传统溢流染色机优缺点比较
权利要求
1.超低浴比三级叶轮泵染纱机，包括染缸、纱架、叶轮泵、热交换盘管，所述纱架固定 在染缸内，所述纱架上的纱杆中空，纱杆底部与染缸内的染液输出通道相通，纱架底部是纱 架盘，纱架盘上有孔与染缸内的染液输入通道相通，叶轮泵设置于整个染缸的下面，热交换 盘管设置于染缸内的底部，其特征在于，所述叶轮泵为三级叶轮泵，其泵轴与内部电机轴 同轴连接，染缸与三级叶轮泵的入口相连；所述三级叶轮泵沿染液流向依次包括轴流级、 离心级、固定导流叶轮级，在整个染纱过程中，染缸内的染液始终不超过纱架盘，浴比小于 1 3。
2.根据权利要求1所述的超低浴比三级叶轮泵染纱机，其特征在于，所述轴流级和离 心级通过同一传动轴依次与电机相连，所述轴流级和离心级的叶片固定在传动轴上；所述 染液经过流入通道流入轴流级，从轴流级流出的染液直接进入离心级的输入口，从离心级 流出的染液经过固定导流叶轮级后进入流出通道，所述固定导流叶轮级设置在离心级输出 端与染液流出通道接口处；所述染液流入和流出的通道相互隔离；轴流级、离心级、固定导 流叶轮级均设置于导流外壳内。
3.根据权利要求2所述的超低浴比三级叶轮泵染纱机，其特征在于，所述三级叶轮泵 通过喇叭管与染缸相连，喇叭管内设有两个独立的腔体作为染液流入通道和流出通道，所 述染液流入通道内染液的流动方向是从染缸向轴流级流动，流入通道与轴流级的输入端相 连通；染液流出通道内的染液方向是从离心级经由固定导流叶轮级后流向染缸，流出通道 与离心级的输出端相连通。
4.根据权利要求2所述的超低浴比三级叶轮泵染纱机，其特征在于，所述轴流级、离心 级的叶轮外壳与叶轮的两相邻表面，均呈球形面。
5.根据权利要求2所述的超低浴比三级叶轮泵染纱机，其特征在于，所述轴流级的叶 片个数为3个；离心级的叶片个数为7个。
6.根据权利要求2所述的超低浴比三级叶轮泵染纱机，其特征在于，所述焊接有固定 导流叶轮片的导流外壳焊接固定在第一级叶轮泵轴承上，固定导流叶轮片安装角度与离心 泵出水方向相反，倾斜45度。
7.根据权利要求2所述的超低浴比三级叶轮泵染纱机，其特征在于，所述轴流叶片与 第一级叶轮泵轴承之间，设有密封圈，该密封圈内装有铁氟龙材料。
8.根据权利要求2所述的超低浴比三级叶轮泵染纱机，其特征在于，所述轴流级、离心 级的泵轴与电机轴心通过尼龙销联轴器同轴连接。
9.根据权利要求2所述的超低浴比三级叶轮泵染纱机，其特征在于，所述电机采用卧 式变频电机直接传动，电机借螺栓紧固于电机座上。
10.根据权利要求1所述的超低浴比三级叶轮泵染纱机，其特征在于，所述三级叶轮泵 的比转数设置在300-500之间，比转数由下面公式给出比转数= 3+65Χ"Χλ/1￥。4^ImW
全文摘要
本发明公开了超低浴比三级叶轮泵染纱机，包括染缸、纱架、叶轮泵，纱架底部是纱架盘，纱架盘上有孔与染缸内的染液输入通道相通，叶轮泵设置于整个染缸的下面，叶轮泵为三级叶轮泵，其泵轴与内部电机轴同轴连接，染缸与三级叶轮泵的入口相连；三级叶轮泵包括轴流级、离心级和固定导流叶轮级，轴流级和离心级通过同一传动轴依次与电机相连，染液经过流入通道流入轴流级，从轴流级流出的染液直接进入离心级的输入口，从离心级流出的染液经过固定导流叶轮级后进入流出通道。在工作过程中染缸内的染液始终不超过纱架盘，浴比小于1∶3。该发明能够在染纱机中的染液低于纱锭时达到所要求的扬程，实现染纱机的低浴比，实现节能减排的目的。
文档编号D06B23/04GK102134793SQ201110095749
公开日2011年7月27日 申请日期2011年4月15日 优先权日2011年4月15日
发明者章红丽, 钟汉如, 陈晓辉, 黎嘉球 申请人:广州番禺高勋染整设备制造有限公司