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

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

Известно техническое решение [1], заключающееся в том, что в роторно-пульсационном аппарате, содержащем ротор и статор в виде коаксиально расположенных цилиндров с прорезями в стенках, отношение D_p-R_c-R_p равно или кратно 2,3-2,5/n, где D_p - наружный диаметр ротора, R_p - наружный радиус ротора, R_c - внутренний радиус статора, n - число прорезей ротора. Аппарат работает следующим образом: обрабатываемая среда поступает во внутреннюю полость аппарата, где установлены ротор и статор. Здесь она движется в радиальном направлении, при этом в аппарате возникают явления гидродинамического резонанса и это происходит, по мнению авторов, именно благодаря вышеуказанному соотношению. Недостатком этого аппарата является то, что при соблюдении этого соотношения никакого резонанса в аппарате не возникает, т.к это явление зависит не только от диаметра ротора, статора и количества прорезей в роторе, но и от множества других его параметров, например частоты вращения ротора аппарата, параметров (свойств) обрабатываемой среды, коль речь идет о "гидромеханическом резонансе". Кроме того, колебания, совершаемые статором, имеют малую интенсивность в силу того, что коаксиальные цилиндры с проточными каналами статора выполнены с диском статора как единое целое, а это увеличивает жесткость диска статора в осевом направлении. Кроме того, например при обработке суспензий, содержащих абразивные вещества, происходит интенсивный износ коаксиальных цилиндров статора, в результате чего необходимо менять полностью весь статор.

Известен роторно-пульсационный аппарат [2], наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому изобретению, взятый нами за прототип, содержащий корпус, в котором установлен ротор, выполненный в виде диска с установленными на нем концентрично радиальными лопатками, и статор с упругими опорами, посредством которых он установлен в корпусе с зазорами и установленными на нем ступенями коаксиальными цилиндрами с проточными каналами. Устройство работает следующим образом. Обрабатываемая жидкотекучая среда поступает в корпус, где подвергается гидромеханическому воздействию со стороны лопаток вращающегося ротора, лопаток статора, образованных коаксиальными цилиндрами и проточными каналами, а также акустическому воздействию со стороны всего статора колебаниями различной частоты и амплитуды. Это устройство позволяет значительно повысить эффективность обработки жидкотекучих сред и получать дисперсии защищаемых цветообразующих компонент цветного проявления в химико- фотографической промышленности со средним диаметром частиц d = 0,1 мкм.

Кроме того, недостатком этого устройства является то, что при обработке жидкотекучих сред, содержащих абразивные вещества, происходит быстрый износ коаксиальных цилиндров статора, после чего необходимо менять весь статор.

Техническим эффектом изобретения является повышение эффективности обработки жидкотекучих сред путем более эффективного акустического воздействия со стороны веерообразно колеблющегося диска статора на обрабатываемую среду колебаниями различной частоты, амплитуды, интенсивности и формы, изготовление коаксиальных цилиндров с проточными каналами статора из износостойких материалов, а диска статора из титана или титановых сплавов, а также возможность их замены по мере износа, без замены всего статора.

Сущность изобретения характеризуется следующей совокупностью существенных признаков, обеспечивающих достижение указанного эффекта в акустическом роторно-пульсационном аппарате, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, ротор, выполненный в виде диска, на торце которого размещены коаксиальные цилиндры с проточными каналами, установленного на валу посредством ступицы с помощью упругих лопаток, соединяющих диск со ступицей и статор, выполненные в виде диска с размещенными на его торцах, обращенных к ротору, коаксиальными цилиндрами с проточными каналами, установленные в корпусе с зазором к нему с помощью упругих элементов, согласно изобретению, коаксиальные цилиндры с проточными каналами статора выполнены в виде отдельных секций, установленных друг относительно друга с зазором, жестко закрепленных на торце диска статора посредством опорных площадок и имеющих в остальной части зазор с диском статора. Количество отдельных секций коаксиальных цилиндров с проточными каналами статора равно или кратно количеству узлов веерно колеблющегося диска статора, а места крепления этих секций совпадают с узлами этих колебаний. Секции коаксиальных цилиндров с проточными каналами статора выполнены из износостойких, твердых материалов, а диск статора выполнен из титана или титановых сплавов.

Выполнение коаксиальных цилиндров с проточными каналами статора в виде отдельных секций, установленных друг относительно друга с зазором, жестко закрепленных на торце диска статора посредством опорных площадок и имеющих в остальной части зазор с диском статора по сравнению с прототипом, когда коаксиальные цилиндры с проточными каналами статора выполнены как единое целое с диском статора. Это позволит увеличить амплитуду и частоты веерообразных колебаний диска статора, т.к. этот диск не связан дополнительно своими коаксиальными цилиндрами по плоскости диска статора.

Жесткое крепление отдельных секций коаксиальных цилиндров с проточными каналами статора к его диску опорными площадками в местах расположения узлов веерных колебаний этого диска в количестве, равном или кратном количеству этих узлов, приводит к тому, что диск статора имеет возможность свободно совершать свои веерные колебания, т.к. узлы колебаний это та часть диска статора, амплитуда колебаний которых равна нулю, т.е. это места диска, не совершающие веерных колебаний. Таким образом, отдельные секции коаксиальных цилиндров с проточными каналами статора не оказывают отрицательного действия на процесс веерных колебаний плоскости диска статора.

Выполнение отдельных секций из износостойких, твердых сплавов позволит повысить ресурс работы аппарата в целом, а также заменять только износившиеся секции коаксиальных цилиндров с проточными каналами статора. Выполнение диска статора из титана или титановых сплавов позволит получить максимально возможное акустическое излучение со стороны статора на обрабатываемую среду, т.к. это излучение прямо зависит от акустической добротности материала, из которого изготовлен статор. 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. Так, например, акустическая добротность титановых сплавов лежит в пределах 16000-20000, а добротность твердого сплава - феррита равна только 350. Таким образом, сочетая эти два материала (из одного изготавливают диск статора, а из другого отдельные секции коаксиальных цилиндров с проточными каналами этого статора), можно получить аппарат, обладающий высокими акустическими качествами и высокой износостойкостью, что интенсифицирует процессы обработки жидкотекучих сред.

Существенными отличительными признаками изобретения является: выполнение коаксиальных цилиндров с проточными каналами статора в виде отдельных секций, установленных друг относительно друга с зазором, жестко закрепленных на торце диска статора посредством опорных площадок и имеющих в остальной части зазор с диском статора, количество отдельных секций коаксиальных цилиндров с проточными каналами статора равно или кратно количеству узлов веерно колеблющегося диска статора и места крепления этих секций совпадают с узлами этих колебаний, выполнение отдельных секций коаксиальных цилиндров с проточными каналами статора из износостойких, твердых материалов, а диска статора из титана или титановых сплавов.

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, на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1 (одна четверть диска статора, ротор не показан), на фиг. 3 - сечение Б-Б фиг. 2 (развертка), на фиг. 4 - вид Г фиг. 3, на фиг. 5 - сечение E-E фиг. 3, на фиг. 6 сечение В-В фиг. 1.

Аппарат состоит из корпуса 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками. На валу 4 жестко установлена втулка 5, которая посредством упругих лопаток 6 связана с диском 7 ротора 8. На торце ротора 8 установлены коаксиальные цилиндры 9, в которых выполнены проточные каналы 10. С помощью фланца 11 и упругих элементов 12 с зазором к корпусу установлен диск 13 статора 14, на диске статора 13 установлены отдельные секции 15, в которых выполнены проточные каналы 16. Отдельные секции 15 установлены на диске 13 статора 14 посредством опорных площадок 17 и 18, соприкасающихся с диском 13 статора 14, и имеют зазор 19 как между собой, так и относительно диска 13 статора 14, 20 и 21 соответственно. Отдельные секции 15 могут быть установлены в пазах 22 диска 13 статора 14 и крепятся, например, с помощью заклепок 23. На фиг. 2 и 6 индексами "У" и "П" с соответствующими плоскостями обозначены узлы и пучности веерных колебаний диска 13 статора 14. В узлах колебаний амплитуда колебаний равна нулю, в пучностях - амплитуда колебаний максимальная.

Веерные колебания диска 13 статора 14, установленного с зазором в корпусе 1 посредством фланца 11, соединенного с диском 13 статора 14 упругими элементами 12 лопатками, стойками и т.д., характеризуются тем, что узлы этих колебаний обязательно будут проходить через места установки упругих элементов 12 на диске 13 статора 14, т.к. это те места на диске 13, которые не могут совершать эти самые веерные колебания в силу своей непосредственной связи через упругие элементы 12 и фланец 11 с корпусом 1 акустического роторно-пульсационного аппарата.

Минимальное количество узлов веерных колебаний диска статора будет равно количеству упругих элементов 12, с помощью которых диск 13 статора 14 соединен посредством фланца 11 с корпусом 1. Этого количества достаточно для установки в этих местах отдельных секций 15 коаксиальных цилиндров статора 14 с проточными каналами 16. При увеличении частоты колебаний статора 14, вызванных увеличением частоты колебаний диска 7 ротора 8, количество диаметров-пучностей увеличится и между двумя основными узлами, расположенными в местах установки упругих элементов 12, появится некоторое количество узлов и пучностей. Однако их появление никак не отразится на работе аппарата, т.к. основные узлы, расположенные в местах установки упругих элементов 12, сохранят свое положение, а т.к. места крепления отдельных секций 15 коаксиальных цилиндров к диску 13 статора 14 так же остаются неизменными, в процессе работы, то это увеличение (кратность) количества узлов и пучностей никак не скажется на работе аппарата в целом. В том случае, если диск 13 статора 14 крепится к фланцу 11 с помощью, например, цилиндрической или конической обечайки, то места установки (крепления) к диску 13 отдельных секций 15 будут узлами веерных колебаний диска, т.к. в этих местах сосредоточена масса этих отдельных секций. То есть, эти места обладают дополнительной массой по сравнению с местами диска, где эти отдельные секции не установлены.

Аппарат работает следующим образом: обрабатываемая жидкотекучая среда (ОЖС) поступает в аппарат, в его корпус 1, через входной патрубок 2. При вращении от привода (на фиг. не показан) вала 4 и втулки 5 вращается также и ротор 8. При этом упругие лопатки 6, стенки проточных каналов 10, выполненные в коаксиальных цилиндрах 9 ротора 8, создают радиальный поток движения ОЖС. В результате этого диск 7 ротора 8 будет совершать веерные колебания различной частоты, формы, амплитуды. ОЖС, двигаясь радиально, последовательно проходит через ступени ротор- статор аппарата, прототипа канала соответственно 10, 16, подвергаясь в зазорах между ними интенсивному гидромеханическому воздействию. Веерные колебания диска 7 ротора 8 через ОЖС передаются диску 13 статора 14 и благодаря тому, что диск 13 статора 14 установлен с зазором в корпусе 1 на упругих элементах (стойках, лопатках) 12 посредством фланца 11, он также будет совершать веерные колебания. Эти колебания будут иметь значительно большую интенсивность, чем в известных технических решениях, т. к. диск 13 соприкасается с отдельными секциями 15, в которых выполнены проточные каналы 16, только опорными площадками 17 и 18, а в остальной части имеют соответственно зазоры 20 и 21. Кроме того, отдельные секции 15 установлены друг по отношению другу также с зазорами 19. А если учесть то, что места креплений этих секций 15 совпадают с узлами веерных колебаний диска 13 статора 14, то коаксиальные цилиндры с проточными каналами статора не будут оказывать отрицательного влияния на процесс веерных колебаний диска 13 статора 14. Отдельные секции 15 статора 14 могут устанавливаться опорными поверхностями, например, в коаксиальных канавках 22, выполненных в диске 13, и крепится, например, заклепками 23. Если ОЖС содержит абразивные материалы, то для уменьшения износа коаксиальных цилиндров с проточными каналами статора, отдельные секции 15 статора 14 могут быть выполнены из твердых, износостойких материалов. Диск 13 статора 14 выполняется из титана или титановых сплавов. Такое сочетание материалов позволит, во-первых, повысить его акустические качества, а во-вторых, увеличить срок работы аппарата.

Более того, в случае абразивного износа отдельных секций 15 статора 14 их можно заменить на новые, не меняя при этом диск 13 статора 14. Способы крепления и установки отдельных секций 15 на диск 13 статора 14 могут быть самыми различными в зависимости от размеров аппарата, его предназначения. Через выходной патрубок 3 ОЖС покидает аппарат. На фиг. 2 и 6 изображены диаметры пучностей (амплитуда колебаний максимальная) и узлов (амплитуда колебаний равна нулю) веерно колеблющегося диска 13 статора 14. Между двумя соседними диаметрами узлов на диске 13 может возникать не одна, а несколько пучностей, между которыми будут находиться узлы колебаний. В этой связи появляется кратность количества отдельных секций 15 количеству узлов веерно колеблющегося диска 13 статора 14.

Эффект от использования изобретения достигается за счет увеличения акустических свойств статора аппарата, за счет увеличения износостойкости коаксиальных цилиндров статора и за счет возможности только их замены, без замены самого диска статора.

ЛИТЕРАТУРА
1. Авторское свидетельство СССР N 695688, кл. В 01 F 7/28, 05.11.79, Бюл. 41.

2. Патент РФ N 1830278, кл. В 01 F 7/28 - прототип.

Изобретение относится к диспергирующей, гомогенизирующей, акустической, смесительной технике и может быть использовано в химической, нефтеперерабатывающей, нефтедобывающей, пищевой, фармацевтической, парфюмерной, топливно-энергетической, микробиологической, кормовой, химико-фотографической промышленностях, в строительной индустрии, в дорожном строительстве и т.д. В аппарате коаксиальные цилиндры с проточными каналами статора выполнены в виде отдельных секций, установленных одна относительно другой с зазором, жестко закрепленных на торце диска статора посредством опорных площадок и имеющих в остальной части зазор с диском статора. Количество отдельных секций коаксиальных цилиндров статора равно или кратно количеству узлов веерно колеблющегося диска статора, а места крепления этих секций к диску статора совпадают с узлом этих колебаний. Секции коаксиальных цилиндров с проточными каналами статора выполнены из износостойких, твердых материалов, а диск статора выполнен из титана или титановых сплавов. Это позволяет повысить интенсивность акустической обработки жидкотекучей среды со стороны статора, повысить износостойкость коаксиальных цилиндров с проточными каналами статора, производить замену только износившихся секций статора. 1 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Акустический роторно-пульсационный аппарат, содержащий корпус, входной и выходной патрубки, ротор, выполненный в виде диска, на торце которого размещены коаксиальные цилиндры с проточными каналами, установленного на валу посредством ступицы с помощью упругих лопаток, соединяющих диск со ступицей и статор, выполненный в виде диска с размещенными на его торцах, обращенных к ротору, коаксиальными цилиндрами с проточными каналами, установленный в корпусе с зазором к нему с помощью упругих элементов, отличающийся тем, что коаксиальные цилиндры с проточными каналами статора выполнены в виде отдельных секций, установленных относительно друга друга с зазором, жестко закрепленных на торце диска статора посредством опорных площадок и имеющих в остальной части зазор с диском статора, при этом количество отдельных секций коаксиальных цилиндров с проточными каналами статора равно или кратно количеству узлов веерно колеблющегося диска статора, и места крепления этих секций совпадают с узлами этих колебаний. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что отдельные секции коаксиальных цилиндров с проточными каналами статора выполнены из износостойких, твердых материалов, а диск статора выполнен из титана или титановых сплавов.