Инерционный насос-сепаратор
INERTIAL SEPARATOR PUMP

Область техники.
Заявляемое техническое решение относится к устройствам разделения жидкостей, имеющих разную плотность, центробежной силой. Может быть использовано как для очистки масла, нефти и тяжелого топлива транспортных двигателей внутреннего сгорания, так и для отделения нефтепродуктов или нефти от воды. Техническое решение может быть использовано в системах питания транспортных двигателей, в системах очистки нефти от сопутствующих продуктов, в системах очистки воды, в том числе, в местах экологических катастроф и разлива нефтепродуктов.
Предшествующий уровень техники.
Известны устройства для очистки жидкости, содержащие корпус с входным и выходным патрубками, и спиралеобразным проточным каналом, имеющим постоянное значение площади круглого поперечного сечения. Оконечная часть канала выведена в выходной патрубок. По внешней образующей проточного канала выполнена щель для отвода примесей, соединенная по всей длине с каналом отвода примесей (патент РФ на изобретение №2404839, МПК B01D 17/038, 2010; патент РФ на полезную модель №116781, МПК B01D 17/038, 2012). Вышеупомянутые устройства относятся к отделению от жидкостей более плотных (тяжелых) фракций.
Устройство для отделения менее плотной части жидкостной смеси известно из патента RU 161442 (МПК B01D 17/038, 2012). Это устройство содержит корпус с входным и первым выходным патрубками, соединенными спиралеобразным первым каналом. По внешней образующей этого канала выполнена щель, соединяющая его со спиралеобразным вторым каналом, заканчивающимся вторым выходным патрубком. На половине внешнего витка первый канал выполнен сужающимся по площади поперечного сечения по ходу движения жидкости, а второй канал начинается в области начала сужения первого канала.
Недостатком всех вышеупомянутых устройств является необходимость подачи потока жидкости на разделение под избыточным давлением. При этом насос для обеспечения избыточного давления должен быть размещен в отдельном корпусе, должен быть обеспечен трубопровод подачи очищаемой жидкости от насоса в устройство очистки.
Раскрытие технического решения
Технической задачей, на решение которой направлено предложенное техническое решения, является обеспечение компактности системы, включающей насос и предложенные ранее устройства очистки жидкостей.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым техническим решением, является компактное совмещение сепаратора жидкостей со спиралеобразными каналами с насосом смеси указанных жидкостей.
Дополнительным техническим результатом является обеспечение взрывобезопасности.
Сущность заявленного технического решения состоит в следующем. Инерционный насос-сепаратор содержит герметичный корпус с размещенным в нем аксиальным электродвигателем с дисковым ротором. К торцу ротора закреплена крыльчатка насоса, имеющая полость с осевым входным отверстием, периферийным кольцевым выходным отверстием и закрепленными в полости лопастями. Проставка накрывает область вращения ротора с крыльчаткой и имеет осевое сквозное отверстие, расположенное у входного отверстия крыльчатки, и канал-сборник, представляющий собой кольцевую канавку, расположенную на торце проставки в области кольцевого выходного отверстия крыльчатки. В канавке выполнено одно или несколько сквозных отверстий, соединяющих ее с противоположным торцом проставки, на котором закреплен сепаратор. Сепаратор содержит заканчивающийся первым выходным патрубком спиралеобразный первый канал, по внешней образующей которого выполнена щель, соединяющая его со спиралеобразным вторым каналом, заканчивающимся вторым выходным патрубком. Вход первого спиралеобразного канала расположен на торце сепаратора и совмещен с одним из отверстий канала-сборника проставки. На оси сепаратор снабжен сквозным отверстием, совмещенным с одной стороны с осевым отверстием проставки, а с другой стороны снабженным входным патрубком.
Вышеуказанная сущность является совокупностью существенных признаков заявленного технического решения, обеспечивающих достижение заявленного технического результата "компактное совмещение сепаратора жидкостей со спиралеобразными каналами с насосом смеси указанных жидкостей".
Обеспечение взрывобезопасности достигается за счет взрывозащищенного исполнения электродвигателя и выполнения замкнутым и герметичным пространства других конструктивных элементов насоса-сепаратора.
В частных случаях допустимо выполнять техническое решение следующим образом.
Внешняя поверхность, ограничивающая полость крыльчатки, выполнена, предпочтительно, воронкообразной.
Упомянутые одно или несколько сквозных отверстий канала-сборника желательно выполнены под наклоном относительно оси проставки в сторону закрутки потока жидкости.
На половине внешнего витка первый спиралеобразный канал может быть выполнен сужающимся по площади поперечного сечения по ходу движения жидкости, а второй спиралеобразный канал начинается в области начала сужения первого канала.
Щель, соединяющая первый и второй спиралеобразные каналы, предпочтительно заканчивается за 1/4 - 1/2 витка до конца первого или второго каналов.
В области сужения поперечного сечения первого спиралеобразного канала второй спиралеобразный канал может быть выполнен расширяющимся по площади поперечного сечения, а от области конца сужения первого канала первый и второй каналы выполнены с постоянным значением площади поперечного сечения.
Первый и/или второй выходные патрубки желательно снабжены регулирующим устройством.
Авторами заявленного технического решения изготовлены опытные образцы этого решения, испытания которых подтвердили работоспособность и достижение технического результата.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 изображена схема продольного разреза насоса-сепаратора, на фиг. 2 - схема поперечного разреза насоса-сепаратора в области крыльчатки, на фиг. 3 - схема поперечного разреза насоса-сепаратора в области сепаратора, на фиг. 4 - вид С фиг. 3 (увеличено) фрагмента насоса-сепаратора.
Варианты осуществления технического решения.
Инерционный насос-сепаратор содержит составной герметичный корпус (1) с входным (2) и двумя выходными (3, 4) патрубками (фиг. 1). Корпус предпочтительно выполнен цилиндрическим, при этом входной патрубок (2) выполнен осевым.
Внутри корпуса размещены статор (5) и дисковый ротор (6) аксиального электродвигателя, имеющего взрывозащищенное исполнение. Ротор выполнен с возможностью вращения на шпинделе (7), установленном в подшипниках, внешние обоймы которых закреплены в статоре (5). Одной стороной дисковый ротор с минимальным зазором прилегает к статору.
На свободной стороне дискового ротора (6) закреплена крыльчатка (8) насоса, имеющая полость с осевым входным отверстием (9), периферийным кольцевым выходным отверстием (10) и закрепленными в полости дугообразными лопастями (11) (фиг. 1, 2). Внешняя поверхность, ограничивающая полость крыльчатки, выполнена предпочтительно воронкообразной.
Проставка (12) является частью корпуса (1) и накрывает область вращения ротора (6) с крыльчаткой (8), а также является местом закрепления сепаратора. Проставка имеет осевое отверстие (13) для пропуска входящей жидкостной смеси к осевому входному отверстию (9) крыльчатки насоса и периферийный канал-сборник (14) для направления нагнетаемой насосом жидкостной смеси в сепаратор. Канал-сборник представляет собой кольцевую канавку, расположенную на торце проставки (12) со стороны крыльчатки (8) в области кольцевого выходного отверстия (10) крыльчатки, в канавке выполнено одно или несколько сквозных отверстий, соединяющих ее с противоположным торцом проставки, к которому прислоняется сепаратор. Сквозные отверстия целесообразно выполнять под наклоном относительно оси проставки в сторону закрутки потока жидкостной смеси.
Сепаратор (15) выполнен в том же корпусе в виде съемной детали в форме диска и содержит спиралеобразные первый (16) и второй (17) каналы (фиг. 1, 3). Эти каналы соединены между собой щелью (18), которая расположена на внешней образующей первого канала и одновременно на внутренней образующей второго канала (фиг. 3, 4). Вход первого спиралеобразного канала расположен на торце сепаратора ближе к краю его диска и совмещен с одним из отверстий канала-сборника (14) проставки (12). Сепаратор может (15) быть составлен из двух половин, образованных поперечным сечением сепаратора плоскостью, проходящей через щель (18). На фиг. 1 эта плоскость обозначена сечением В-В.
Входной осевой патрубок (2) размещен на внешнем торце корпуса со стороны сепаратора и сообщен осевым отверстием (19) в части корпуса, где размещен сепаратор, с осевым отверстием (13) в проставке. У входного патрубка также на торце насоса-сепаратора размещены первый (3) и второй (4) выходные патрубки, которые являются выходами, соответственно, первого (16) и второго (17) спиралеобразных каналов сепаратора.
Первый канал (16) предназначен для транспортировки жидкостей с наименьшей плотностью (например, нефти или нефтепродуктов) и имеет круглое поперечное сечение.
Второй канал (17) предназначен для транспортировки жидкостей с наибольшей плотностью (например, воды) и выполнен с круглым поперечным сечением.
Первый и второй каналы могут быть выведены в выходные патрубки по касательной.
Щель (18) расположена по всей длине второго канала (17) вплоть до его соединения с вторым выходным патрубком (4). Однако для предотвращения влияния турбулентного движения жидкостей в области окончания первого и второго каналов и их соединения с выходными патрубками щель предпочтительно заканчивается за 1/4 - 1/2 витка до этой области. Таким образом в этом месте первый и второй каналы оказываются изолированными друг от друга.
На одном или обоих выходных патрубках установлены регулирующие устройства (не показаны), выполненные с возможностью изменения площади поперечного сечения в месте их установки. Регулирующие устройства позволяют изменять скорость истечения потока жидкостей (и механических частиц) из первого и(или) второго каналов отвода примесей во внешний приемник, чем регулируется степень и качество разделения жидкостей.
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1.
Для целей очистки масла, нефти, бензина, керосина и тяжелого топлива транспортных двигателей внутреннего сгорания первый спиралеобразный канал выполнен большего диаметра и имеет постоянное значение площади поперечного сечения. Второй спиралеобразный канал выполнен меньшего диаметра, также имеет по сути постоянное значение площади поперечного сечения.
Пример 2.
Для целей очистки воды от загрязнений нефтепродуктами на половине внешнего витка первый канал выполнен сужающимся по площади поперечного сечения по ходу движения жидкости. Далее по ходу движения жидкости первый канал имеет постоянное значение площади поперечного сечения. Таким образом, диаметр первого канала наибольший у его входа. Предпочтительно сужение выполнять постепенным от начала первого витка до его середины. Однако возможно сужение выполнить на половине первого витка ступенчато: от начала первого витка на протяжении четверти витка поперечное сечение первого канала монотонно уменьшается, а затем остается постоянным до конца половины первого витка и далее - до конца первого канала.
Второй канал начинается в начале сужения первого канала. На половине самого внешнего витка второй канал выполнен постепенно расширяющимся по площади поперечного сечения по ходу движения жидкости. Далее по ходу движения жидкости второй канал имеет, предпочтительно, постоянное значение площади поперечного сечения. Таким образом, диаметр второго канала наименьший у входа в сепаратор.
Инерционный насос-сепаратор работает следующим образом.
При включении электродвигателя начинает вращаться размещенный внутри корпуса ротор (6) с крыльчаткой (8). Лопасти (11) крыльчатки воздействуют на частицы жидкости, сообщая им вращательное движение вокруг оси ротора. Выполнение лопастей дугообразными с наклоном касательной в направлении от направления вращения ротора приводит также к тому, что лопасти также придают движение частицам жидкости также в направлении от центра ротора. В этом направлении действует на частицы жидкости и центробежная сила. Указанные силы вызывают избыточное давление жидкости на периферии крыльчатки и разряжение на ее оси. Это приводит к работе насоса. При этом жидкостная смесь поступает в осевую зону крыльчатки через входной патрубок (2), осевое отверстие (19) в сепараторе, осевое отверстие (13) в проставке и осевое отверстие (9) крыльчатки. Нагнетание жидкости на периферии крыльчатки приводит к ее подаче под давлением через канал-сборник (14) проставки в первый спиралеобразный канал (16) сепаратора.
Поскольку первый канал (16) имеет криволинейную форму, на жидкость и взвешенные в ней частицы примеси действуют центробежные силы. Под действием этих сил происходит распределение по плотности частиц жидкости и примесей в поперечном сечении первого канала. При этом частицы механических примесей и более плотная часть жидкости, прижимаются к внешней стороне спиралеобразного первого канала. Такие частицы примесей и жидкости, достигнув стенки первого канала с внешней стороны спирали, и продолжая свое движение вдоль первого канала, через щель (18) попадают во второй канал (17). Двигаясь вдоль второго канала частицы примесей и более плотная жидкость отводятся из устройства во внешний приемник через второй выходной патрубок (4), и, возможно, регулирующее устройство.
Менее плотная жидкость продолжает двигаться по первому каналу (16) и выходит из устройства через первый выходной патрубок (3), и, возможно, соответствующее регулирующее устройство.
Выполнение первого канала сужающимся по диаметру, а второго канала - расширяющимся (пример 2) позволяют сохранить минимальные габариты устройства при его использовании в отношении смесей жидкостей с относительно малым содержанием менее плотной жидкости, подлежащей выделению из смеси. Постепенное изменение поперечного сечения первого канала на первом полувитке выполнено на участке наиболее интенсивного процесса распределения частиц жидкости в каналах по их плотности.
Изменением площади поперечного сечения в месте установки регулирующих устройств достигается изменение пропускной способности соответствующего канала, что приводит к изменению количества частиц, отводящихся из устройства очистки через этот канал, и, следовательно - к изменению степени очистки.
Промышленная применимость.
Заявляемый инерционный насос-сепаратор реализован с использованием промышленно выпускаемых устройств и материалов, может быть изготовлен на любом машиностроительном предприятии и найдет широкое применение в области разделения жидких сред.