РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ АППАРАТ Российский патент 2001 года по МПК B01F7/00 

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

Известен роторно-пульсационный аппарат [1], 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, растворению. Недостатком этого устройства является то, что коаксиальные цилиндры с проточными каналами выполненны за одно целое с диском ротора. В результате этого диск ротора обладает значительной жесткостью в направлении, перпендикулярном плоскости диска ротора (в осевом направлении), что снижает амплитуду его веерных колебаний, а, во-вторых, при обработке, например, жидкотекучих сред, содержащих значительное количество твердой, абразивной фазы, происходит интенсивный абразивный износ именно коаксиальных цилиндров с проточными каналами ротора. В результате этого приходится менять весь ротор.

Известен роторно-пульсационный аппарат [2], наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому изобретению, взятый нами за прототип, содержащий 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 посредством 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 через 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, как и предыдущего, является то, что коаксиальные цилиндры с проточными каналами ротора выполнены с диском ротора как единое целое, что повышает жесткость диска ротора в осевом направлении. Это снижает амплитуду веерных колебаний диска ротора, снижая тем самым его акустические характеристики. Кроме того, при обработке жидкотекучих сред, содержащих твердую, абразивную фазу, происходит износ этих коаксиальных цилиндров с проточными каналами ротора. В результате этого приходится менять весь ротор.

Техническим эффектом изобретения является повышение эффективности обработки жидкотекучих сред путем более эффективного акустического воздействия веерообразно колеблющегося диска ротора на обрабатываемую среду колебаниями различной формы, частоты и интенсивности, а также изготовление коаксиальных цилиндров с проточными каналами ротора из износостойких материалов и возможность замены только износившихся коаксиальных цилиндров с проточными каналами ротора.

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, установленный с помощью упругих лопаток, соединяющих его со ступицей ротора, закрепленной на валу, согласно изобретению коаксиальные цилиндры с проточными каналами ротора выполнены в виде отдельно установленных друг относительно друга с зазором, жестко закрепленных на торце диска ротора посредством опорных площадок и имеющих в остальной части зазор с диском ротора. Количество отдельных секций коаксиальных цилиндров с проточными каналами ротора равно или кратно количеству узлов веерно колеблющегося диска ротора. Места жесткого крепления отдельных секций коаксиальных цилиндров с проточными каналами ротора опорными площадками совпадают с узлами веерно колеблющегося диска ротора. Выполнение отдельных секций коаксиальных цилиндров с прорезями ротора из износостойких материалов, а диска ротора - из титана или титанового сплава.

Выполнение коаксиальных цилиндров с проточными каналами ротора в виде отдельных секций, установленных друг относительно друга с зазором, жестко закрепленных на торце диска ротора посредством опорных площадок и имеющих в остальной части с диском ротора зазор, приводит к снижению жесткости диска ротора в осевом направлении по сравнению с прототипом, когда коаксиальные цилиндры с проточными каналами ротора выполнены как единое целое с диском ротора. Это позволит уменьшить жесткость диска ротора в осевом направлении и увеличить амплитуду и частоту веерообразных колебаний диска ротора, т.к. диски ротора не связаны дополнительно по плоскости своими коаксиальными цилиндрами.

Жесткое крепление отдельных секций коаксиальных цилиндров с проточными каналами ротора опорными площадками в местах расположения узлов веерных колебаний диска ротора в количестве равном или кратном количеству этих узлов, приводит к тому, что диск ротора имеет возможность свободно совершать свои веерные колебания, не вовлекая в эти колебания коаксиальные цилиндры ротора, т. к. узлы колебаний - это область любой колеблющейся системы, в том числе и диска ротора, амплитуда колебаний которого равна нулю, совпадают с местами крепления отдельных секций, а остальные части диска ротора не связаны с секциями коаксиальных цилиндров. Таким образом, опорные площадки отдельных секций коаксиальных цилиндров с проточными каналами ротора, жестко сопряженные с диском ротора в узлах его веерных колебаний, не будут оказывать отрицательного действия на эти колебания.

Выполнение отдельных секций из износостойких материалов позволит увеличить ресурс их работ.

Выполнение коаксиальных цилиндров с прорезями ротора, как указано выше, позволит в случае их износа, например абразивного, легко их заменять, не меняя самого диска ротора.

Кроме того, такое выполнение этих секций коаксиальных цилиндров позволяет выполнить их, например, из твердосплавных материалов, обладающих повышенной износостойкостью, а диск ротора - из титана или титанового сплава, обладающего высокой акустической добротностью, позволяющей диску ротора излучать в обрабатываемую жидкую среду максимальную акустическую энергию. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволит, во-первых, повысить акустическую эффективность обработки жидкотекучих сред в аппарате за счет повышения частоты, амплитуды и интенсивности веерных колебаний диска ротора, изготавливая его из титана или титановых сплавов, обладающих высокой акустической добротностью, а во-вторых повысить срок службы ротора роторно-пульсационного акустического аппарата за счет как замены износившихся отдельных секций коаксиальных цилиндров ротора, так и за счет использования для их изготовления специальных конструкционных износостойких материалов, не обладающих высокими значениями акустической добротности.

Акустическая добротность - количественная характеристика, указывающая во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду вынужденных колебаний на частоте, много ниже резонансной при одинаковой амплитуде вынуждающей силы. Добротность титановых сплавов лежит в пределах 16000-22000, добротность же твердого материала, например такого как феррит, равна только 350. Таким образом, сочетая эти два материала в предлагаемом изобретении, можно добиться высокой антиабразивной стойкости секций коаксиальных цилиндров ротора с высокими акустическими свойствами роторно-пульсационного акустического аппарата, что значительно расширяет его возможность применения. Использование этого изобретения, например, при производстве спирта позволит повысить работоспособность (ресурс) роторно-пульсивного аппарата с одновременным повышением эффективности его акустического воздействия на сусло, что приводит к положительным результатам.

Существенными отличительными признаками изобретения являются выполнение коаксиальных цилиндров с проточными каналами ротора в виде отдельных секций, установленных друг относительно друга с зазором, закрепленных жестко на торце диска ротора посредством опорных площадок и имеющих в остальной части с диском ротора зазор, количество отдельных секций коаксиальных цилиндров с проточными каналами ротора равно или кратно количеству узлов веерно колеблющегося диска ротора, а места жесткого крепления опорными площадками отдельных секций коаксиальных цилиндров с проточными каналами ротора к его диску совпадают с узлами веерно колеблющегося диска ротора, выполнение отдельных секций коаксиальных цилиндров с проточными каналами ротора из износостойкого материала, а диска ротора из титана или титанового сплава.

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

На фиг. 1 изображен продольный разрез аппарата, (верхняя его часть); на фиг.2 изображено сечение А-А фиг. 1 (одна четверть ротора, статор не показан); на фиг.3 изображено сечение Б-Б фиг.2 (развертка); на фиг.4 - вид Г фиг. 3 (развертка); на фиг.5 - сечение E-E фиг. 3.

Аппарат состоит из корпуса 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками. В корпусе 1 с зазором к нему установлен статор 4 посредством упругих элементов 5 и фланца 6. На торце статора 4 установлены коаксиальные цилиндры 7, в которых выполнены проточные каналы 8. На валу 9 жестко установлена ступица 10, которая посредством упругих лопаток 11 соединяется с диском 12 ротора 13. На диске 12 ротора 13 установлены отдельные секции 14 с помощью, например, заклепок 15. Способ крепления отдельных секций 14 к диску 12 ротора 13 может быть и иным. В отдельных секциях 14 выполнены проточные каналы 16. Секции 14 в каждом коаксиальном ряду установлены друг относительно друга с зазором 17. Секции имеют также зазор 18 с диском 12 ротора 13. Секции 14 устанавливаются на диске 12 ротора 13 с помощью опорных площадок 19 и 20, соприкасающихся с ротором 13. Отдельные секции 14 имеют также зазор 21 с диском 12 ротора 13 (см. фиг. 3). Отдельные секции 14 на диске 12 ротора 13 могут устанавливаться в концентрических канавках 22. На фиг.2 и 3 индексами "У" и "П" и соответствующими диаметрами обозначены узлы и пучности веерных колебаний диска 12 ротора 13. При этом узлы колебаний соответствуют нулевой амплитуде колебаний, а пучности - максимальной амплитуде колебаний диска 12 ротора 13. В зависимости от частоты этих колебаний между двумя соседними узлами колебаний могут возникнуть еще несколько узлов колебаний с соответствующим числом пучностей. Отсюда возникает кратность количества отдельных секций 14 количеству узлов веерных колебания диска 12 ротора 13.

Веерные колебания диска 12 ротора 13, соединенного упругими лопатками 11 c жестко установленной на валу 9 ступицей 10, характеризуются тем, что узлы этих колебаний обязательно будут проходить через радиусы, на которых размещены упругие лопатки 11, т.к. это те места диска 12 ротора 13, которые в силу их непосредственной через лопатки 11 связи со ступицей 10 и валом 9, имеют наибольшую жесткость в осевом направлении, т.е. в направлении веерных колебаний диска 12. Установка отдельных секций 14 на диске 12 (места их крепления к диску) на радиусах размещения упругих лопаток 11 и является по сути установкой этих секций в узлах веерных колебаний диска 12 ротора 13. При увеличении частоты вращения ротора 13 на диске 12 между основными узлами колебаний, совпадающих с радиусами расположения упругих лопаток 11, возникают и другие узлы и пучности веерных колебаний. Таким образом, возникает кратность количества отдельных секций 14 количеству узлов веерных колебаний диска 12 ротора 13. Возникновение дополнительных узлов и пучностей веерных колебаний диска 12 ротора 13 не оказывает влияния на характер работы устройства в целом, т.к. эти колебания уже не зависят от отдельных секций 14 в силу того, что секции закреплены на радиусах размещения упругих лопаток, соединяющих диск ротора со ступицей и валом.

Аппарат работает следующим образом. Обрабатываемая жидкотекучая среда (ОЖС) через входной патрубок 2 поступает в корпус 1 аппарата. При вращении вала 9 ступица 10 упругими лопатками 11 в аппарате создает радиальное движение ОЖС, которое последовательно проходит через ступени "ротор-статор", через проточные каналы 8, выполненные в коаксиальных цилиндрах 7 статора 4, и проточные каналы 16 отдельных секций 14, образующих коаксиальные цилиндры ротора 13. ОЖС в этих каналах, а также в радиальных зазорах между коаксиальными цилиндрами 7 статора 4 и коаксиальными цилиндрами ротора 13, образованными отдельными секциями 14, подвергается интенсивному гидромеханическому воздействию как со стороны элементов конструкции этих коаксиальных цилиндров, так и благодаря пульсациям давления, скорости, турбулентным течениям. Кроме того, вращающийся диск 12 ротора 13 совершает своей плоскостью веерные колебания различной формы, частоты, амплитуды, интенсивности в зависимости от частоты вращения ротора, его геометрических параметров (соотношение диаметра и толщины диска 12, количества упругих лопаток 11, и т.д.), от мощности затрачиваемой на его вращение, от свойств ОЖС. При этом эти веерные колебания через ОЖС передаются на статор 4, который в свою очередь также совершает веерные колебания соответствующей формы, частоты, амплитуды, интенсивности благодаря тому, что он как бы подвешен с зазором относительно корпуса на упругих элементах (лопатках, стойках и т.д.) 5 и установлен в корпусе 1 посредством фланца 6. Благодаря тому, что отдельные секции 14 ротора 13 установлены опорными площадками 19 и 20 на диске 12 с зазором 17 друг относительно друга в каждом коаксиальном ряду, а также имеют зазоры 18 и 21 относительно самого диска 12 ротора 13, а места их установки, например с помощью заклепок 15, совпадают с узлами веерных колебаний диска 12 ротора 13. Диск 12 ротора 13 имеет возможность совершать эти веерные колебания свободно. При этом отдельные секции 14 не оказывают на эти колебания отрицательного воздействия (не связывают дополнительно диск ротора). В результате этого предлагаемое техническое решение позволяет повысить акустические свойства роторно-пульсационного акустического аппарата, кроме того, при выполнении отдельных секций 14 ротора 13 из твердых, износостойких материалов, таких, например, как феррит, различных твердых сплавов, специальных керамических материалов, а диска 12 ротора 13 - из титановых сплавов или титана, позволит повысить износостойкость коаксиальных цилиндров ротора и вместе с тем, в случае их износа, производить замену только износившихся секций 14. Отдельные секции 14 могут, например, устанавливаться в коаксиальные канавки 22, выполненные на диске 12 ротора 13. Способ их установки может быть и другим.

Эффект использования изобретения достигается за счет усиления акустического излучения диском ротора за счет применения, например, при обработке ОЖС, содержащих абразивные вещества (компоненты) для изготовления коаксиальных цилиндров с проточными каналами ротора износостойких твердосплавных материалов за счет возможности замены только износившихся отдельных секций ротора, образующих его коаксиальные цилиндры.

ЛИТЕРАТУРА
1. Авторское свидетельство СССР N 331811, кл. B 01 F 11/02 1969 г.

2. Авторское свидетельство СССР N 1148638, кл. В 01 F 11/02 1985 г. - прототип.

Аппарат относится к области диспергирующей, гомогенизирующей, акустической, смесительной техники и может быть использован в химической, нефтеперерабатывающей, нефтедобывающей, пищевой, фармацевтической, парфюмерной, топливоэнергетической, микробиологической, кормовой, химико-фотографической промышленностях, в строительной индустрии, в дорожном строительстве и т.д. Сущность изобретения: коаксиальные цилиндры с проточными каналами ротора выполнены в виде отдельных секций, установленных относительно друг друга с зазором, жестко закрепленных на торце диска ротора посредством опорных площадок и имеющих в остальной части зазор с диском ротора, при этом количество отдельных секций коаксиальных цилиндров ротора равно или кратно количеству узлов веерно колеблющегося диска ротора, а места крепления этих секций к диску ротора совпадают с узлами этих колебаний, при этом секции коаксиальных цилиндров с проточными каналами ротора выполнены из износостойких твердых материалов, а диск ротора - из титана или титановых сплавов. Это позволяет повысить интенсивность акустической обработки жидкотекучей среды со стороны ротора, повысить износостойкость коаксиальных цилиндров с проточными каналами ротора, производить замену только износившихся секций ротора. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Роторно-пульсационный акустический аппарат, содержащий корпус, входной и выходной патрубки, статор, на торце которого, обращенном к ротору, размещены коаксиальные цилиндры с проточными каналами и ротор, установленный с помощью упругих лопаток, соединяющих его со ступицей, закрепленной на валу, отличающийся тем, что коаксиальные цилиндры с проточными каналами ротора выполнены в виде отдельных секций, установленных относительно друг друга с зазором, жестко закрепленных на торце диска ротора посредством опорных площадок и имеющих в остальной части зазор с диском ротора, при этом количество отдельных секций коаксиальных цилиндров ротора равно или кратно количеству узлов веерно колеблющегося диска ротора и места креплений этих секций совпадают с узлами этих колебаний. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что секции коаксиальных цилиндров с проточными каналами ротора выполнены из износостойких твердых материалов, а диск ротора - из титана или титановых сплавов.