Центробежный сепаратор Российский патент 2021 года по МПК B04B9/02 

Изобретение относится к устройствам для разделения жидких полидисперсных систем, в частности к электрооборудованию для сепарирования, и может быть использовано в нефтяной, пищевой, медицинской и других отраслях промышленности, например, для сепарирования нефти на нефтяных месторождениях, для очистки нефти на судовых сепараторах, для сепарирования молока и других полидисперсных жидких систем.

Известна установка для сепарирования нефти (пат. РФ №2593626, 2016 г., автор Копелевич Л.Е.), содержащая подогреватель нефти и сепаратор, включающий корпус, электропривод, состоящий из электродвигателя, имеющего статор, содержащий аксиальную часть с сердечником и обмоткой, в лобовых частях которой размещены замоноличенные компаундом трубки для охлаждения статора и подогрева нефти, и закрепленный в подшипниках ротор из электропроводящего, немагнитного материала, выполненный в виде барабана сепаратора, при этом статор электродвигателя дополнительно содержит цилиндрическую часть, а обмотки двух частей статора соединены последовательно.

Статор электродвигателя жестко закреплен в корпусе. Цилиндрическая часть статора представляет собой цилиндрический магнитопровод, в пазы которого уложена первая обмотка. Аксиальная часть статора представляет собой аксиальный магнитопровод, в пазы которого уложена вторая обмотка, с внутренним и внешним бандажными кольцами.

Ротор, выполненный в виде барабана сепаратора, жестко закреплен на оси, установленной в подшипниковых опорах, и содержит основание с центральной трубкой, пакет разделительных тарелок, тарелкодержатель, затяжное кольцо с отверстием и соединительную трубку, соединяющую выход трубок для охлаждения статора и подогрева сепарируемого продукта с внутренней частью ротора, выполненного в виде барабана сепаратора.

Однако известный из пат. РФ №2593626 сепаратор имеет ряд недостатков, а именно: недостаточно высокие энергетические показатели и низкую надежность.

Существенным недостатком известного из пат. РФ №2593626 сепаратора, являющегося составной частью установки для сепарирования нефти, как и любой электрической машины с аксиальным магнитопроводом, является также наличие большого осевого (аксиального) электромагнитного усилия, вызванного неизбежным притяжением ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, к аксиальному магнитопроводу. Это усилие оказывает разрушающее действие на подшипники, ведет к преждевременному выходу их из строя и создает угрозу механического соприкосновения вращающегося ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, и аксиального магнитопровода. Кроме того, при вращении ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, возможен его перекос относительно аксиального магнитопровода, вызванный большим осевым (аксиальным) электромагнитным усилием. Это также ведет к преждевременному выходу подшипников из строя и возможности соприкосновения ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, с аксиальным магнитопроводом. Это уменьшает надежность сепаратора.

Для исключения возможности соприкосновения ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, с аксиальным магнитопроводом необходимо обеспечить большой воздушный зазор между аксиальным магнитопроводом статора и ротором, выполненным в виде барабана сепаратора.

Кроме того, в известном из пат. РФ №2593626 сепараторе имеет место качание, биение и вибрации ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, внутри цилиндрического магнитопровода сепаратора. Это может привести к соприкосновению вращающегося ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, и цилиндрического магнитопровода. Это также снижает надежность сепаратора и требует обеспечения большого воздушного зазора между ротором, выполненным в виде барабана сепаратора, и цилиндрическим магнитопроводом.

Увеличение воздушного зазора между аксиальным магнитопроводом и барабаном-ротором сепаратора и между цилиндрическим магнитопроводом и барабаном-ротором сепаратора приводит к увеличению магнитного сопротивления, а следовательно - к увеличению тока в обмотках статора, необходимого для создания требуемого магнитного потока (тока намагничивания), то есть к увеличению требуемого сечения проводов обмоток статора и, соответственно, к ухудшению энергетических показателей сепаратора.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и принятый авторами за прототип является сепаратор для полидисперсных жидких систем (пат. РФ №2706320, 2019 г., авторы Кашин Я.М., Копелевич Л.Е., Самородов А.В., Ким В.А.), содержащий корпус и смонтированные в нем статор электродвигателя и ротор, выполненный в виде барабана сепаратора. Статор электродвигателя жестко закреплен в корпусе и содержит цилиндрический магнитопровод, в пазы которого уложена первая обмотка, и аксиальный магнитопровод, в пазы которого уложена вторая обмотка, с внешним бандажным кольцом. В верхней части бандажного кольца выполнены углубления полусферической формы, в которые уложены неферромагнитные шарики. Первая и вторая обмотки соединены последовательно, их лобовые части обвиты трубками для охлаждения статора и подогрева сепарируемого продукта и замоноличены компаундом. Ротор, выполненный в виде барабана сепаратора, жестко закреплен на оси, установленной в подшипниковых опорах, и содержит пакет разделительных тарелок, тарелкодержатель, затяжное кольцо с отверстием, соединительную трубку, соединяющую внутреннюю часть ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, с выходом трубок для охлаждения статора и подогрева сепарируемого продукта, и основание с центральной трубкой, выполненное с кольцевыми канавками полукруглого сечения, посредством которых ротор, выполненный в виде барабана сепаратора, установлен с возможностью вращения на неферромагнитные шарики.

Однако известный из пат. РФ №2706320 сепаратор также имеет ряд недостатков, а именно: недостаточно высокую надежность, низкие энергетические показатели.

Существенным недостатком известного из пат. РФ №2706320 сепаратора является биение и вибрации ротора, возможность колебаний ротора-барабана по вертикальной оси. Это может привести к соскакиванию ротора-барабана с неферромагнитных шариков, уложенных в углубления полусферической формы, выполненные в верхней части бандажного кольца, и, соответственно, к соприкосновению вращающегося ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, и цилиндрического статора. Это снижает надежность сепаратора и требует обеспечения большого воздушного зазора между ротором, выполненным в виде барабана сепаратора, и цилиндрическим статором.

Увеличение воздушного зазора между цилиндрическим статором и ротором сепаратора приводит к увеличению магнитного сопротивления, а следовательно - к увеличению тока в обмотках статора, необходимого для создания требуемого магнитного потока (тока намагничивания), то есть к увеличению требуемого сечения проводов обмоток статора и, соответственно, к ухудшению энергетических показателей сепаратора.

Задачей изобретения является усовершенствование конструкции сепаратора, позволяющее повысить его энергетические показатели и надежность.

Техническим результатом заявленного изобретения является минимизация величины воздушного зазора между ротором, выполненным в виде барабана сепаратора, и аксиальным и цилиндрическим статорами - повышение энергетических показателей, снижение вибраций и биений, минимизация колебаний вдоль вертикальной оси - повышение надежности конструкции.

Технический результат достигается тем, что в центробежном сепараторе, содержащем корпус и смонтированные в нем статор электродвигателя и ротор, выполненный в виде барабана сепаратора, при этом статор электродвигателя жестко закреплен в корпусе и содержит цилиндрический магнитопровод, в пазы которого уложена первая обмотка, и аксиальный магнитопровод, в пазы которого уложена вторая обмотка, с внешним бандажным кольцом, в верхней части которого выполнены углубления полусферической формы, в которые уложены неферромагнитные шарики, при этом первая и вторая обмотки соединены последовательно, их лобовые части обвиты трубками для охлаждения статора и подогрева сепарируемого продукта и замоноличены компаундом, а ротор, выполненный в виде барабана сепаратора, содержит пакет разделительных тарелок, тарелкодержатель, затяжное кольцо с отверстием, соединительную трубку, соединяющую внутреннюю часть ротора, выполненного в виде барабана, с выходом трубок для охлаждения статора и подогрева сепарируемого продукта, и основание с центральной трубкой 20, выполненное с кольцевой канавкой полукруглого сечения, посредством которой ротор, выполненный в виде барабана, установлен с возможностью вращения на неферромагнитные шарики, при этом в верхней конической части ротора на равном удалении друг от друга выполняют три углубления полусферической формы, в которые укладывают неферромагнитные шарики, а на верхней части корпуса дополнительно устанавливают крышку, нижнее основание которой жестко прикрепляют по окружности к верхней части корпуса, при этом крышку выполняют в форме боковой поверхности усеченного конуса с кольцевой канавкой полукруглого сечения в ее верхней внутренней части, посредством которой она насаживается на неферромагнитные шарики, уложенные в полусферических углублениях в верхней конической части корпуса.

Минимизация воздушного зазора между ротором, выполненным в виде барабана сепаратора, и аксиальным и цилиндрическим статорами достигается тем, что в верхней конической части ротора дополнительно на равном удалении друг от друга выполняют углубления полусферической формы, в которые укладывают неферромагнитные шарики, на которые устанавливают крышку, выполненную в форме боковой поверхности усеченного конуса, в верхней внутренней части которой выполняют канавку полукруглого сечения. Посредством этого ротор, выполненный в виде барабана сепаратора, фиксируют с помощью неферомагнитных шариков по вертикальной и горизонтальной осям с возможностью вращения. При установке ротора, являющегося барабаном сепаратора, на двух подшипниковых опорах большого радиуса (нижняя опора - существующие неферромагнитные шарики, уложенные в углубления полусферической формы, выполненные в верхней части внешнего бандажного кольца, верхняя опора - неферромагнитные шарики, уложенные на равном удалении друг от друга в углубления полусферической формы, выполненные в верхней конической части ротора, с крышкой, выполненной в форме боковой поверхности усеченного конуса с канавками полукруглого сечения в ее верхней внутренней части) исключается возможность отклонений ротора по вертикали и горизонтали, что позволяет минимизировать воздушный зазор между ротором и аксиальным и цилиндрическим статорами, что при постоянной требуемой мощности «на валу» электродвигателя и охлаждении аксиального и цилиндрического статоров сепарируемым продуктом позволяет увеличить КПД η, cosϕ и уменьшить величину P₁ мощности потребляемой из сети, то есть решить задачу повышения энергетических показателей сепаратора.

Фиксирование ротора второй подшипниковой опорой большого радиуса (верхняя опора - неферромагнитные шарики, уложенные в углубления полусферической формы, выполненные в верхней конической части ротора, с крышкой, выполненной в форме боковой поверхности усеченного конуса с канавками полукруглого сечения в ее верхней внутренней части) исключает возможность отклонений ротора по вертикали и горизонтали, а также позволяет уменьшить его вибрации и биения, исключить вероятность соприкосновения ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, с аксиальным и цилиндрическим статорами, что позволяет повысить надежность конструкции сепаратора в целом.

Таким образом, совокупность преложенных признаков позволяет достичь заявленного технического результата.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого сепаратора.

Центробежный сепаратор содержит (фиг. 1) корпус 1 и смонтированные в нем статор электродвигателя и ротор 7, выполненный в виде барабана сепаратора. Статор электродвигателя жестко закреплен в корпусе 1 и содержит цилиндрический магнитопровод 2, в пазы которого уложена первая обмотка 3, и аксиальный магнитопровод 6, в пазы которого уложена вторая обмотка 5, с внешним бандажным кольцом 8. В верхней части внешнего бандажного кольца 8 выполнены углубления полусферической формы 9, в которые уложены неферромагнитные шарики 10. Первая 3 и вторая 5 обмотки соединены последовательно, их лобовые части обвиты трубками 4 для охлаждения статора и подогрева сепарируемого продукта и замоноличены компаундом. Ротор 7, выполнен в виде барабана сепаратора и содержит пакет разделительных тарелок 17, тарелкодержатель 18, затяжное кольцо 19 с отверстием, соединительную трубку 21, соединяющую внутреннюю часть ротора 7, выполненного в виде барабана, с выходом трубок для охлаждения статора и подогрева сепарируемого продукта, и основание 12 с центральной трубкой 20, выполненное с кольцевой канавкой полукруглого сечения 11, посредством которой ротор 7, выполненный в виде барабана, установлен с возможностью вращения на неферромагнитные шарики 10.

В верхней конической части ротора 7 на равном удалении друг от друга выполнены три углубления полусферической формы 14, в которые уложены неферромагнитные шарики 15.

На верхней части корпуса 1 дополнительно установлена крышка 13, нижнее основание которой жестко прикреплено по окружности к верхней части корпуса 1.

Крышка 13 выполнена в форме боковой поверхности усеченного конуса с кольцевой канавкой полукруглого сечения 16 в ее верхней внутренней части, посредством которой она насажена на неферромагнитные шарики 15, уложенные в полусферических углублениях в верхней конической части корпуса 1.

Центробежный сепаратор работает следующим образом. При подаче напряжения на последовательно соединенные первую 3 и вторую 5 обмотки, уложенные в пазы аксиального 6 и цилиндрического 2 магнитопроводов, соответственно, возникает вращающееся магнитное поле, которое наводит вихревые токи в установленном в корпусе 1 на неферромагнитных шариках 10 и 15 роторе 7, выполненном в виде барабана сепаратора. Взаимодействие вращающегося магнитного поля, созданного током, протекающим в первой 3 и второй 5 обмотках, и магнитного поля, созданного вихревыми токами в роторе 7, выполненном в виде барабана сепаратора, приводит к возникновению вращающего момента, под действием которого ротор 7, установленный посредством кольцевой канавки 11 полукруглого сечения, выполненной в его основании 12 на неферромагнитные шарики 10, которые уложены в углублении 9 полусферической формы, выполненном в верхней части внешнего бандажного кольца 8, и зафиксированный от вертикального перемещения крышкой 13, выполненной в форме боковой поверхности усеченного конуса с кольцевой канавкой полукруглого сечения 16 в ее верхней внутренней части, посредством которой она насажена на неферромагнитные шарики 15, уложенные в полусферических углублениях 14 в верхней конической части корпуса 1, приходит во вращение вокруг своей оси симметрии. Сепарируемый продукт подается на вход трубок 4, которыми обвиты лобовые части первой 3 и второй 5 обмоток. Проходя по трубкам 4, сепарируемый продукт подогревается за счет тепловыделения в первой 3 и второй 5 обмотках. Подогреваясь в трубках 4, сепарируемый продукт одновременно охлаждает аксиальный 6 и цилиндрический 2 магнитопроводы, а также первую 3 и вторую 5 обмотки. При выходе из трубок 4 сепарируемый продукт по соединительной трубке 20 подается в барабан, в виде которого выполнен ротор 7, и через центральную трубку 19 попадает в днище барабана, в виде которого выполнен ротор 7, а затем в каналы тарелкодержателя 17. Находясь в нижней части барабана, в виде которого выполнен ротор 7, сепарируемый продукт дополнительно подогревается за счет тепловыделения в торцовой и боковых частях барабана, в виде которого выполнен ротор 7, приобретая, тем самым, необходимую для сепарирования температуру. Кроме того, находясь в нижней части барабана, в виде которого выполнен ротор 7, сепарируемый продукт подвергается положительному воздействию электромагнитного поля, создаваемого токами, протекающими в первой 3 и второй 5 обмотках, уложенных соответственно в пазах аксиального 6 и цилиндрического 2 магнитопроводах. Процесс сепарирования происходит в пакете разделительных тарелок 17. Продукты сепарирования (в том числе очищенный сепарируемый продукт) выводятся из барабана, в виде которого выполнен ротор 7, через отверстие в затяжном кольце 19.

Изобретение относится к устройствам для разделения жидких полидисперсных систем, в частности к электрооборудованию для сепарирования, и может быть использовано в нефтяной, пищевой, медицинской и других отраслях промышленности, например, для сепарирования нефти на нефтяных месторождениях, для очистки нефти на судовых сепараторах, для сепарирования молока и других полидисперсных жидких систем. Центробежный сепаратор содержит корпус и смонтированные в нем статор электродвигателя и ротор, выполненный в виде барабана сепаратора, при этом статор электродвигателя жестко закреплен в корпусе и содержит цилиндрический магнитопровод, в пазы которого уложена первая обмотка, и аксиальный магнитопровод, в пазы которого уложена вторая обмотка, с внешним бандажным кольцом, в верхней части которого выполнены углубления полусферической формы, в которые уложены неферромагнитные шарики, при этом первая и вторая обмотки соединены последовательно, их лобовые части обвиты трубками для охлаждения статора и подогрева сепарируемого продукта и замоноличены компаундом, а ротор, выполненный в виде барабана сепаратора, содержит пакет разделительных тарелок, тарелкодержатель, затяжное кольцо с отверстием, соединительную трубку, соединяющую внутреннюю часть ротора, выполненного в виде барабана, с выходом трубок для охлаждения статора и подогрева сепарируемого продукта, и основание с центральной трубкой, выполненное с кольцевой канавкой полукруглого сечения, посредством которой ротор, выполненный в виде барабана, установлен с возможностью вращения на неферромагнитные шарики, при этом в верхней конической части ротора на равном удалении друг от друга выполнены три углубления полусферической формы, в которые уложены неферромагнитные шарики, а на верхней части корпуса дополнительно установлена крышка, нижнее основание которой жестко прикреплено по окружности к верхней части корпуса, при этом крышка выполнена в форме боковой поверхности усеченного конуса с кольцевой канавкой полукруглого сечения в ее верхней внутренней части, посредством которой она насажена на неферромагнитные шарики, уложенные в полусферических углублениях в верхней конической части корпуса. 1 ил.

Центробежный сепаратор, содержащий корпус и смонтированные в нем статор электродвигателя и ротор, выполненный в виде барабана сепаратора, при этом статор электродвигателя жестко закреплен в корпусе и содержит цилиндрический магнитопровод, в пазы которого уложена первая обмотка, и аксиальный магнитопровод, в пазы которого уложена вторая обмотка, с внешним бандажным кольцом, в верхней части которого выполнены углубления полусферической формы, в которые уложены неферромагнитные шарики, при этом первая и вторая обмотки соединены последовательно, их лобовые части обвиты трубками для охлаждения статора и подогрева сепарируемого продукта и замоноличены компаундом, а ротор, выполненный в виде барабана сепаратора, содержит пакет разделительных тарелок, тарелкодержатель, затяжное кольцо с отверстием, соединительную трубку, соединяющую внутреннюю часть ротора, выполненного в виде барабана, с выходом трубок для охлаждения статора и подогрева сепарируемого продукта, и основание с центральной трубкой, выполненное с кольцевой канавкой полукруглого сечения, посредством которой ротор, выполненный в виде барабана, установлен с возможностью вращения на неферромагнитные шарики, отличающийся тем, что в верхней конической части ротора на равном удалении друг от друга выполнены три углубления полусферической формы, в которые уложены неферромагнитные шарики, а на верхней части корпуса дополнительно установлена крышка, нижнее основание которой жестко прикреплено по окружности к верхней части корпуса, при этом крышка выполнена в форме боковой поверхности усеченного конуса с кольцевой канавкой полукруглого сечения в ее верхней внутренней части, посредством которой она насажена на неферромагнитные шарики, уложенные в полусферических углублениях в верхней конической части корпуса.