Роторный аппарат

Изобретение относится к устройствам для создания акустических колебаний в проточной жидкой среде и может быть использовано для проведения и интенсификации различных физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов в системах «жидкость - жидкость» и «твердое - жидкость».

Известен акустический излучатель, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, установленные в нем коаксиально цилиндрические ротор и статор с каналами на боковых стенках, причем статор установлен внутри полости ротора, а обрабатываемая среда подается со стороны наружной поверхности ротора, число каналов ротора и статора равно друг другу и каналы в роторе выполняются к радиусу ротора под углом β=arctgωR_CPah/Q, где ω - угловая скорость ротора; R_CP - средний радиус ротора; а - ширина прямоугольного канала ротора; h - высота канала; Q - расход, жидкости через излучатель (RU 2149713 C1 B06B 1/18).

Недостатком данной конструкции является невозможность достижения нулевого зазора между ротором и статором за счет отклонений допусков поверхностей при изготовлении ротора и статора, биения ротора в опорах и т.п.

Наиболее близким к изобретению является роторный аппарат, содержащий сообщающиеся с напорными магистралями корпус, концентрично установленные в нем ротор и статор в виде сегментов с отверстиями в боковых стенках и прижимные устройства статора, выполненные в виде гидродомкратов, соединенных с напорными магистралями (SU 1435278 A1, B01F 7/28).

Недостатком данного устройства является недостаточная надежность из-за наличия дополнительных устройств в виде гидродомкратов.

Техническая задача изобретения - повышение надежности устройства.

Поставленная техническая задача изобретения достигается тем, что в роторный аппарат, содержащий корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор, выполненный в виде сегментов с антифрикционным покрытием на внутренней поверхности, взаимодействующей с наружной поверхностью ротора, в роторе и статоре выполнены каналы в боковых стенках, камеру озвучивания и привод, обрабатываемая среда поступает под давлением через патрубок в камеру озвучивания и далее через каналы поступает в полость ротора, со стороны наружной поверхности статора.

Геометрические и режимные параметры определяются из соотношений:

где Р_вн - давление, создаваемое внешним насосом в камере озвучивания; Z_к - количество каналов в роторе; S_к=а_кh_к - площадь канала; а_к - ширина канала; h_к - высота канала; S_ст=2πR_сh_c - площадь боковой поверхности статора; R_с - внутренний радиус статора; h_c - высота статора; - центробежная сила; ρ - плотность среды; ω - угловая скорость вращения ротора; R_p - внешний радиус ротора; k=0,175 (без лопаток в полости ротора);

На фиг.1 изображен роторный аппарат, продольный разрез. На фиг.2 изображена развертка наружной боковой поверхности ротора.

Роторный аппарат содержит корпус 1 с патрубком входа 2, крышку 3 с патрубком выхода 4, сегментированный подвижный статор 5 с каналами 6 в боковых стенках, ротор 7 с каналами 8 в боковых стенках, камеру озвучивания 9, образованную корпусом 1, крышкой 3 и статором 5, шпильки 10, соединяющие корпус 1 и крышку 2, на которых сидят свободно сегменты статора 5. Статор 5 имеет антифрикционное покрытие 11 на внутренней поверхности. Аппарат работает следующим образом: обрабатываемая среда поступает под давлением через патрубок 2 в камеру озвучивания 9. Затем через каналы 6 статора 5 и каналы 8 ротора 7 поступает в полость ротора 7 и выводится из аппарата через патрубок 4.

Предлагаемая конструкция роторного аппарата позволяет получить нулевой зазор без использования дополнительных приспособлений в виде пружин, гидродомкратов и т.п., что значительно повышает надежность всего роторного аппарата.

Обрабатываемая среда, поступающая в полость 9 статора под давлением, создает силу, прижимающую сегменты статора 5 к поверхности ротора 7, уменьшая зазор между ротором 7 и статором 5 до минимума. Со стороны ротора 7, при его вращении создается противодействующая центробежная сила P_ц. Чтобы избежать обратного тока среды, т.е. для обеспечения работоспособности роторного аппарата необходимо выполнение условия Р_вн>Р_ц. После проведения соответствующих преобразований получим требуемое соотношение между геометрическими и режимными параметрами аппарата для обеспечения прижима сегментов статора 5 к наружной поверхности ротора 7

где Р_вн - давление, создаваемое внешним насосом в камере озвучивания 9; Z_к - количество каналов 8 в роторе 7; S_к=a_кh_к - площадь канала; а_к - ширина канала; h_к - высота канала; S_ст=2πR_ch_c - площадь боковой поверхности статора 5; R_с - внутренний радиус статора 5; h_c - высота статора 5; - центробежная сила; ρ - плотность среды; ω - угловая скорость вращения ротора 7; R_p - внешний радиус ротора 7; k=0,175 (без лопаток в полости ротора) (Роторные аппараты с модуляцией потока и их применение в промышленности. A.M.Балабышко, В.Ф.Юдаев. - М.: Недра, 1992).

Особенностью работы роторного аппарата предложенной конструкции является следующее. При совпадении каналов 8 ротора 7 и каналов 6 статора 5 среднее давление Р_вн в камере озвучивания 9 незначительно падает, а при перекрытии каналов 6 статора 5 промежутками между каналами 8 ротора 7 возрастает. Во втором случае повышение давления вызывает более плотное прижатие сегментов статора 5 к ротору 7, при этом исключается течение жидкости в зазоре, а это позволяет осуществлять более резкое открытие каналов 6 в статоре 5 и роторе 7. Это приводит к увеличению «отрицательной» амплитуды динамического давления, что вызывает рост интенсивности акустической кавитации, являющейся основным фактором при интенсификации химико-технологических процессов.

В первом случае при понижении давления возможно образование незначительного зазора между ротором 7 и статором 5. Однако при этом не наблюдается течение среды в зазоре из-за большого гидравлического сопротивления этого тракта по сравнению с открытыми каналами. Для того чтобы рассмотренный механизм интенсификации процессов работал наиболее эффективно, желательно, чтобы сегменты статора 5 обладали наименьшей массой, с целью снижения инерционности получаемой системы. Рекомендуется выполнять сегменты статора 5 из материалов, обладающих низкими коэффициентами трения и хорошо работающих на износ, таких как капролон, углепластики и т.п.

Другим преимуществом предложенного конструктивного решения роторного аппарата является возможность регулирования радиального зазора между ротором 7 и статором 5 за счет изменения расхода через аппарат вентилем В1. Это необходимо, например, при производстве высокочистых веществ, когда необходимо исключить намол металла из-за кавитации. Для этого увеличивают радиальный зазор, при этом интенсивность акустической кавитации резко падает. В существующих конструкциях регулирование зазора осуществляется механически, что более сложно и трудоемко.

Роторный аппарат, содержащий корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор, выполненный в виде сегментов с антифрикционным покрытием на внутренней поверхности, взаимодействующей с наружной поверхностью ротора, в роторе и статоре выполнены каналы в боковых стенках, камеру озвучивания, привод, отличающийся тем, что обрабатываемая среда поступает под давлением через патрубок в камеру озвучивания, и далее через каналы поступает в полость ротора, со стороны наружной поверхности статора, а геометрические и режимные параметры определяются из соотношений

где Р_вн - давление, создаваемое внешним насосом в камере озвучивания; Z_к - количество каналов в роторе; S_к=а_кh_к - площадь канала; а_к - ширина канала; h_к - высота канала; S_см=2πR_ch_c - площадь боковой поверхности статора; R_c - внутренний радиус статора; h_c - высота статора; - центробежная сила; ρ - плотность среды; ω - угловая скорость вращения ротора; R_p - внешний радиус ротора; k=0,175 (без лопаток в полости ротора);