Роторно-пульсационный акустический аппарат (варианты)

 

Аппарат относится к области диспергирующей, смесительной, гомогенизирующей, акустической технике и может быть использован в химической, нефтедобывающей нефтеперерабатывающей, пищевой, фармацевтической, парфюмерной, топливо-энергетической, химико-фотографической, микробиологической промышленностях, в строительной индустрии, в дорожном строительстве и т.д. Аппарат имеет выполненные на диске ротора радиальные пазы, количество этих пазов равно или кратно количеству упругих лопаток, соединяющих ротор со ступицей. Пазы могут быть выполнены под углом к радиусу в ту или иную стороны и могут быть выполнены сквозными, разделяя диск ротора на сегменты. При этом сквозные пазы, выполненные на всю длину диска ротора, образуют его отдельные секторы, соединяемые со ступицей упругими лопатками. Сквозные пазы могут быть выполнены наклонно к плоскости вращения ротора, а упругие лопатки, соединяющие секторы со ступицей, выполнены под углом к радиусу. Сквозные пазы могут быть выполнены не симметрично относительно упругих лопаток, при этом отдельные секторы ротора установлены под углом к плоскости его вращения. Это позволяет повысить эффективность обработки жидкотекучих сред путем более интенсивного акустического воздействия ротора на среду за счет увеличения амплитуды и интенсивности его колебаний. 2 с. и 12 з.п.ф-лы, 18 ил.

Изобретение относится к области акустической, диспергирующей, гомогенизирующей, смесительной технике и может быть использовано в химической, нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, пищевой, фармацевтической, микробиологической, парфюмерной, энергетической и других отраслях промышленности, в строительстве, в дорожном строительстве и т.д.

Известен роторно-пульсационный аппарат (SU 331811, кл. B 01 F 11/02, 1969), содержащий корпус, в котором установлены два статора, между которыми размещен ротор, установленный на валу. На роторе и статорах установлены коаксиальные цилиндры с прорезями (проточными каналами). Аппарат работает следующим образом. Через входное устройство обрабатываемая жидкость поступает в корпус, где под действием создаваемого вращающимся ротором (его коаксиальными цилиндрами) насосного эффекта она последовательно проходит через ступени коаксиальных цилиндров ротора и статора, подвергаясь при этом интенсивному перемешиванию, диспергированию, гомогенизации, растворения. Недостатком этого устройства является то, что его ротор не обладает рядом конструктивных элементов, как то упругими лопатками, соединяющими диск ротора со ступицей, в силу чего акустическое поле, создаваемое им, имеет малую интенсивность и низкую частоту, 20 - 50 Вт/см², 1,5 кГц соответственно, что резко сужает его функциональные возможности.

Известен роторно-пульсационный аппарат (SU 1148638, кл. B 01 F 11/02, 1985) наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому изобретению, взятый нами за прототип, содержащий, как и предлагаемый, корпус с входным и выходным патрубками, статор, на торце которого размещены коаксиальные цилиндры с проточными каналами и ротор с набором коаксиальных цилиндров с проточными каналами, который соединен со ступицей посредствам упругих лопаток. Аппарат работает следующим образом. Обрабатываемая жидкотекучая среда через входной патрубок поступает в корпус аппарата, где под действием насосного эффекта, создаваемого упругими лопатками и коаксиальными цилиндрами вращающегося ротора, проходит последовательно чрез ступени, образованные чередующимися коаксиальными цилиндрами ротора и статора. При этом она подвергается интенсивному воздействию со стороны зубьев (лопаток) ротора и статора, как и в предыдущем случае и, кроме того, на обрабатываемую среду дополнительно воздействует ротор своими крутильными колебаниями. Недостатком этого устройства является то, что крутильные колебания ротора имеют малую амплитуду колебаний из-за его конструктивных особенностей (целостность диска ротора), что в свою очередь снижает интенсивность акустического поля, создаваемого ротором аппарата.

Техническим эффектом изобретения является повышение эффективности обработки жидкотекучих сред путем более интенсивного акустического воздействия ротора на обрабатываемую среду колебаниями в двух плоскостях различной формы, частоты, амплитуды, интенсивности.

Сущность изобретения характеризуется следующей совокупностью существенных признаков, обеспечивающих достижение указанного эффекта тем, что в роторно-пульсационном акустическом аппарате, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, статор, на торце которого, обращенном к ротору, размещены коаксиальные цилиндры с проточными каналами, и ротор с набором коаксиальных цилиндров с проточными каналами, обращенными к статору, соединенный со ступицей упругими лопатками; согласно изобретению на роторе выполнены радиальные пазы в количестве, равном или кратном количеству упругих лопаток, соединяющих ротор со ступицей, усиливающие его веерообразные колебания.

Кроме того, пазы выполнены под углом к радиусу в ту или другую сторону от него.

Для усиления эффекта акустического воздействия пазы выполнены сквозными, разделяющими ротор на сегменты.

Для интенсификации акустических колебаний ротора сквозные пазы выполнены на всю длину ротора, образуя отдельные секторы, не связанные друг с другом, соединяемые со ступицей упругими лопатками.

Кроме того, для усиления эффекта сквозные пазы могут быть выполнены наклонно к плоскости вращения ротора.

Для усиления колебательных процессов секторов ротора упругие лопатки, соединяющие их со ступицей, могут быть выполнены под углом к радиусу в ту или другую стороны.

Для интенсификации колебательных движений секторов сквозные пазы могут быть расположены несимметрично относительно упругих лопаток, соединяющих отдельные секторы со ступицей.

Для расширения диапазона и форм акустических колебаний отдельных секторов ротора они установлены под углом к плоскости его вращения.

Выполнение на роторе радиальных пазов в количестве, равном или кратном количеству упругих лопаток, соединяющих ротор со ступицей приводит к тому, что в этих местах жесткость диска ротора уменьшится, что приведет к увеличению амплитуды колебаний ротора при действии на него пульсирующих давлений и скорости потока обрабатываемой жидкости, а выполнение количества пазов на роторе, равным или кратным количеству упругих лопаток, соединяющих ротор со ступицей, приводит к рациональному использованию поверхности ротора, для его колебаний, т.к. количество пучностей и узлов (места с максимальными и нулевыми амплитудами) колебаний диска ротора будет кратным количеству упругих лопаток и пазов.

Выполнение пазов под углом к радиусу в ту или другую сторону будет максимально совпадать с характером и формами колебаний вращающегося диска.

Выполнение пазов сквозными, разделяющими ротор на сегменты, в еще большей степени снизит жесткость диска ротора, что позволит, во-первых, увеличить амплитуду колебаний сегментов, и, во-вторых, повысить частоту этих колебаний.

Выполнение сквозных пазов на всю длину ротора с образованием отдельных секторов, не связанных друг с другом, соединенных со ступицей только упругими лопатками, во-первых, еще больше увеличит амплитуду колебаний отдельных секторов, а, во-вторых, еще больше повысит частоту их собственных колебаний.

Выполнение сквозных пазов наклонно к плоскости вращения ротора приводит к тому, что обрабатываемая жидкотекучая среда, находящаяся в этом наклонном пазе, будет оказывать на сектор гидродинамическую пульсирующую силу, одна из составляющей которой имеет осевую составляющую. Это приведет к тому, что в осевом направлении на секторы будет действовать пульсирующая возбуждающая сила, в результате чего секторы ротора будут совершать на упругих лопатках колебания и в осевом направлении.

Выполнение упругих лопаток, соединяющих секторы со ступицей под углом к радиусу в ту или другую стороны, приводит к тому, что за счет центробежных сил, действующих на секторы, при вращении ротора на эти лопатки будет действовать изгибающий момент, стремящийся "вернуть" упругую лопатку к радиальному направлению (как бы "распрямить" лопатку). Этот изгибающий момент приведет к деформации упругой лопатки и, как следствие этого, к перемещению всего сектора, а т.к. все силы, возникающие в роторно-пульсационном аппарате (в области размещения ротора и статора), являются пульсирующими силами, то эти перемещения будут носить циклический характер, т.е. это все вызовет дополнительные колебания секторов ротора.

Выполнение сквозных пазов несимметрично относительно упругих лопаток, соединяющих отдельные секторы со ступицей, приводит к тому, что на лопатку, кроме растягивающей центробежной силы, будет действовать изгибающий момент этой силы, т.к. центр масс сектора смещен относительно упругой лопатки, а т. к. результирующая центробежная сила в роторно-пульсационном аппарате является пульсирующей силой, то и изгибающий момент, и, следовательно, перемещения секторов будут носить пульсирующий характер, т.е. они будут совершать колебательное движение.

Установка отдельных секторов ротора под углом к плоскости его вращения приводит к тому, что, как и в предыдущих случаях, на секторы будет действовать гидродинамическая пульсирующая сила, одна из составляющих которой направлена вдоль оси вращения ротора (осевая составляющая), что приведет к колебательным движениям секторов в осевом направлении.

Существенными отличительными признаками изобретения являются: выполнение на диске ротора радиальных пазов в количестве, равном или кратном количеству упругих лопаток, соединяющих ротор со ступицей, выполнение пазов под углом к радиусу в ту или иную сторону, выполнение пазов сквозными, разделяющими ротор на сегменты, выполнение сквозных пазов на всю длину диска ротора, образуя отдельные секторы, не связанные друг с другом, соединяемые со ступицей упругими лопатками, выполнение сквозных пазов наклонно к плоскости вращения ротора, выполнение упругих лопаток, соединяющих секторы со ступицей под углом к радиусу в ту или иную стороны, выполнение сквозных пазов несимметрично относительно упругих лопаток, соединяющих отдельные секторы со ступицей, установка отдельных секторов ротора под углом к плоскости его вращения.

Сравнительный анализ предлагаемого изобретения с известными техническими решениями позволяет сделать вывод о новизне и соответствии условию изобретательского уровня предлагаемого изобретения.

На фиг. 1 изображен продольный разрез аппарата с односторонним ротором и одним статором, пазы выполнены различной длины, на фиг. 2 изображен аппарат с двухсторонним ротором и двумя статорами, пазы выполнены различной длины, на фиг. 3 - тоже, что и на фиг. 2 - пазы выполнены сквозными и на всю длину, на фиг. 4 - сечение А-А фиг. 1, пазы выполнены симметрично, количество пазов равно количеству упругих лопаток, пазы могут быть прямоугольной, треугольной и т.д. формы, на фиг. 5 - сечение А-А фиг. 1, количество пазов кратно количеству упругих лопаток (12/4), пазы имеют разную длину, на фиг. 6 - сечения А-А фиг. 1, пазы имеют наклон на угол α относительно радиуса, углы α могут быть разные и наклон их может быть в другую сторону, на фиг. 7 - сечение А-А фиг. 1, пазы сквозные и наклонены к радиусу на угол α на фиг. 8 - тоже, что и на фиг. 5, но пазы сквозные, на фиг. 9 - сечение А-А фиг. 1, пазы сквозные, радиальные и их количество равно количеству упругих лопаток, на фиг. 10 - сечение Б-Б фиг. 2, пазы выполнены со стороны проточных каналов (коаксиальных цилиндров) ротора, имеют различную длину и наклонены к радиусу на угол α , на фиг. 11 - сечение А-А фиг. 1, пазы наклонные и их количество кратно числу упругих лопаток (2/4), на фиг. 12 - сечение А-А фиг. 1, пазы сквозные и выполнены под углом α к радиусу, на фиг. 13 - сечение В-В фиг. 3, пазы сквозные, выполнены на всю длину диска ротора под углом α к радиусу, количество пазов равно количеству упругих лопаток, на фиг. 14 - сечение В-В фиг. 3, пазы сквозные выполнены под разными углами α к радиусу и несимметрично относительно упругих лопаток ротора, на фиг. 15 - сечения Б-Б фиг. 2, пазы не сквозные, выполнены на всю длину, упругие лопатки ротора выполнены под углом α₁ к радиусу, на фиг. 16 - сечение В-В - фиг. 3 - тоже, что и на фиг. 15, но пазы сквозные, на фиг. 17 - вид Г фиг. 14 (повернуто на 180^o), пазы выполнены наклонно на угол β к плоскости вращения диска ротора, на фиг. 18 - вид Д фиг. 16 (повернуто на 180^o) секторы установлены под углом γ к плоскости вращения ротора.

Обозначения: стрелка с индексом "НВ" - направление вращения ротора, стрелка с индексом "НК" и знаками "+" и "-" - направление колебаний сегментов и секторов, стрелка с индексом "М" и знаком "+" и "-" - пульсирующий изгибающий момент, действующий на сегменты и секторы α - соответственно, угол наклона канавок к радиусу, α₁ - угол наклона упругих лопаток к радиусу, β - угол наклона канавок к плоскости вращения ротора, γ - угол наклона сектора к плоскости вращения ротора, индекс "рад" - радиальное направление (радиальная составляющая), индекс "тан" - тангенциальное направление (тангенциальная составляющая), индекс "ос" - осевое направление.

Аппарат содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками. В корпусе 1 установлен статор 4 (один или два см. фиг. 1, 2 и 3), на торце которого размещены коаксиальные цилиндры 5 с проточными каналами 6. С зазором к статору 4 установлен ротор 7 (выполненный, например, из титанового сплава), который крепится на валу 8 с помощью упругих лопаток 9 и ступицы 10. На торце (см. фиг. 2, 3) ротора 7, обращенном к статору 4, расположены коаксиальные цилиндры 11 с проточными каналами 12. Например (см. фиг. 1), на противоположном коаксиальным цилиндрам 11 торце ротора 7 выполнены радиальные пазы 13. Пазы 13 могут быть не сквозными (см. фиг. 1 - 16) и сквозными. Они могут быть выполнены различной длины (см. фиг. 1 - 10), в различном сочетании и различном расположении. Сквозные пазы 13, выполненные не на всю длину диска ротора 7, образуют сегменты 14 (см. фиг. 8, 9, 12), а выполненные на всю длину ротора 7 образуют отдельные секторы 15, связанные со ступицей 10 упругими лопатками 9 (см. фиг. 3, 13, 14, 16). Упругие лопатки 9 могут быть расположены радиально (см. фиг. 13, 14) или под углом α₁ к радиусу в ту или другую стороны (см. фиг. 15, 16). Расположение сквозных пазов 13, выполненных на всю длину ротора 7, может быть симметричным (см. фиг. 13) и не симметричным относительно упругой лопатки 9, соединяющей сектор 15 со ступицей 10 (см. фиг. 14).

Роторно-пульсационный акустический аппарат работает следующим образом. Через входной патрубок 2 обрабатываемая жидкотекучая среда (фотографические эмульсии и дисперсии; пищевые продукты: молоко, промежуточные продукты при производстве спирта; лекарственные и парфюмерные препараты; нефть и нефтепродукты, лаки и краски; ингредиенты, участвующие в звукохимических реакциях и т. д. ) поступает в корпус аппарата 1. Под действием центробежных сил, создаваемых элементами конструкции вращающегося ротора 7 - упругими лопатками 9, стенками проточных каналов 12 коаксиальных цилиндров 11, жидкотекучая среда движется в аппарате в радиальном направлении, проходя последовательно через проточные каналы 6 коаксиальных цилиндров 5 статора 4 и проточные каналы 12 коаксиальных цилиндров 11 ротора 7, где она подвергается гидромеханическому воздействию, приводящему к перемешиванию, растворению, гомогенизации, диспергированию и т.д. Одновременно с этим, на жидкотекучую среду оказывает акустическое воздействие ротор 7, совершающий веерные колебания в осевом направлении, эти колебания значительно усиливаются благодаря наличию выполненных на диске ротора 7 радиальных пазов 13, которые снижают жесткость диска ротора 7, в местах их расположения, что приводит к увеличению амплитуды колебания диска ротора 7. Выполнение пазов 13 различными по длине, взаимному расположению, под углами α к радиусу в ту или другую сторону позволяет достичь различных по форме, амплитуде, частоте, интенсивности колебаний различных участков диска ротора 7. Выполнение пазов 13 сквозными различной длины, различного расположения позволяет получить на диске ротора 7 различные сегменты 14, обладающие различными формами, частотами и амплитудами колебаний, что значительно расширяет функциональные возможности аппарата, делая его пригодным для применения в очень широком спектре технологических процессов. Выполнение сквозных пазов 13 на всю длину диска ротора 7 позволяет еще больше изменить акустические свойства ротора 7, благодаря секторам 15, частоты собственных колебаний которых выше частот собственных колебаний целого диска ротора. В том случае, когда количество сквозных пазов 13 совпадает с количеством упругих лопаток 9, секторы 15 связаны со ступицей 10 только посредством упругих лопаток 9. Это приводит к тому, что колебания секторов 15 осуществляются на упругой лопатке 9 относительно вращающихся ступицы 10 и вала 8, а также относительно статора 4. При этом секторы 15 совершают сложные пространственные колебательные движения под действием пульсирующих моментов "+М", "-М" (фиг. 13, 14), а также, как показано на фиг. 17 ("+НКос", "-НКос"), колеблясь как тело, консольно защемленное в ступице 10 на упругой лопатке 9. При этом частотный спектр излучаемых секторами 15 акустических колебаний шире и интенсивнее, чем в известных технических решениях. Все колебательные процессы в роторно-пульсационных аппаратах обусловлены пульсациями давления, скорости в обрабатываемой жидкотекучей среде. В том случае, если упругие лопатки 9 выполнены под углом α₁ к радиусу в ту или иную стороны, а также выполнение сквозных пазов 13 несимметрично относительно упругих лопаток 9 приводит к тому что наряду, с пульсирующей растягивающей силой, приводящей к колебаниям "+НКрад" и "-НКрад", действующей на упругую лопатку 9, на нее действует и изгибающий момент М, деформирующий упругую лопатку 9 в плоскости вращения ротора, а т.к. этот момент, как и сила, является пульсирующим, то и деформация будет пульсирующей, т.е. секторы 15 будут совершать колебания в плоскости вращения ротора от действия момента М (см. фиг. 16). Эти же колебания будут совершать секторы 15 и в том случае, когда они расположены симметрично относительно упругих лопаток 9, т.к. на стенки их проточных каналов 12 коаксиальных цилиндров 11 действуют пульсирующие результирующие силы гидродинамического сопротивления, оказываемого обрабатываемой жидкотекучей средой. Выполнение сквозных пазов 13 под углом β к плоскости вращения диска ротора 7, а также установка отдельных секторов 15 под углом γ к плоскости вращения ротора 7 приводит к тому, что гидродинамическая составляющая, действующая на стенку сквозного паза 13 или на всю поверхность сектора 15 (осевая составляющая), приводит к дополнительному колебательному движению секторов 15 в осевом направлении НКос и тангенциальном направлении НКтан (см. фиг. 17, 18), при этом силы в том и другом случае разные по величине из-за разности в размерах поверхностей, на которые они действуют, что, соответственно, приводит к различным амплитудам этих колебаний. Через выходной патрубок 3 отработанная жидкотекучая среда покидает аппарат. Все это позволяет повысить мощность акустического излучения, создаваемого в аппарате, за счет увеличения амплитуды колебаний ротора, повысить частоту этого излучения. Предлагаемое устройство работает при изменяемой частоте вращения ротора в пределах 800 - 12000 об/мин, излучаемых акустических частотах 100 Гц - 100 кГц, интенсивности акустического излучения до 350 Вт/см², что увеличивает его функциональные возможности.

Эффект использования изобретения достигается за счет увеличения доли акустического воздействия со стороны ротора на обрабатываемую жидкотекучую среду, за счет расширения частотного спектра акустического излучения, повышения частоты акустического излучения, увеличения интенсивности этого излучения, что позволяет расширить технологические возможности применения роторно-пульсационного акустического аппарата в различных отраслях народного хозяйства, повысить его эффективность в части диспергирования, стерилизации и т.д.

Формула изобретения

1. Роторно-пульсационный акустический аппарат для обработки жидкотекучих сред, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, статор, на торцах которого, обращенных к ротору, размещены коаксиальные цилиндры с проточными каналами и ротор с набором коаксиальных цилиндров с проточными каналами на торцах, обращенных к статору, соединенный со ступицей посредством упругих лопаток, отличающийся тем, что на роторе выполнены радиальные пазы в количестве, равном или кратном количеству упругих лопаток, соединяющих ротор со ступицей.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что пазы выполнены сквозными.

3. Аппарат по п.2, отличающийся тем, что сквозные пазы выполнены на всю длину ротора, образуя отдельные секторы, не связанные друг с другом, соединяемые со ступицей упругими лопатками.

4. Аппарат по одному из пп.2 и 3, отличающийся тем, что сквозные пазы выполнены наклонно к плоскости вращения ротора.

5. Аппарат по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что упругие лопатки, соединяющие секторы ротора со ступицей, выполнены под углом к радиусу в ту или другую стороны.

6. Аппарат по одному из пп.2 - 5, отличающийся тем, что сквозные пазы расположены несимметрично относительно упругих лопаток, соединяющих отдельные секторы со ступицей.

7. Аппарат по п.3, отличающийся тем, что отдельные секторы ротора установлены под углом к плоскости его вращения.

8. Роторно-пульсационный акустический аппарат для обработки жидкотекучих сред, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, статор, на торцах которого, обращенных к ротору, размещены коаксиальные цилиндры с проточными каналами и ротор с набором коаксиальных цилиндров с проточными каналами на торцах, обращенных к статору, соединенный со ступицей посредством упругих лопаток, отличающийся тем, что на роторе выполнены под углом к радиусу пазы в количестве, равном или кратном количеству упругих лопаток, соединяющих ротор со ступицей.

9. Аппарат по п.8, отличающийся тем, что пазы выполнены сквозными.

10. Аппарат по п.9, отличающийся тем, что сквозные пазы выполнены на всю длину ротора, образуя отдельные секторы, не связанные друг с другом, соединяемые со ступицей упругими лопатками.

11. Аппарат по одному из пп.9 и 10, отличающийся тем, что сквозные пазы выполнены наклонно к плоскости вращения ротора.

12. Аппарат по одному из пп.8 - 11, отличающийся тем, что упругие лопатки, соединяющие секторы ротора со ступицей, выполнены под углом к радиусу в ту или другую стороны.

13. Аппарат по одному из пп.9 - 12, отличающийся тем, что сквозные пазы расположены несимметрично относительно упругих лопаток, соединяющих отдельные секторы со ступицей.

14. Аппарат по п.10, отличающийся тем, что отдельные секторы ротора установлены под углом к плоскости его вращения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18