АВТОРОТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЖИДКОСТИ
AUTOMATIC ROTARY LIQUID CONVERTER

Изобретение относится к роторно-статорным устройствам для интенсификации технологических процессов путем воздействия на проточную жидкую среду кавитационно-гидроударными импульсами и может быть использовано в машиностроении, химической, пищевой, медицинской и др. отраслях промышленности.
Известны роторно-импульсные аппараты (патенты РФ №2179895, 2230616), содержащие коаксиально расположенные приводной ротор и статор, снабженные щелевыми каналами в боковых стенках.
Недостатком таких устройств является наличие дополнительного механического привода ротора (электродвигателя), подшипниковых узлов ротора, что усложняет конструкцию устройства, а в ряде случаев делает невозможным его применение для реализации технологического процесса.
Известен акустический излучатель (патент РФ №2149713, В06В 1/18, БИ №15-2001), содержащий корпус с входным и выходным патрубками, установленные в нем коаксиально цилиндрические ротор и статор с каналами в боковых стенках. Причем статор установлен внутри ротора, и обрабатываемая жидкость подается со стороны наружной поверхности ротора. Длина каналов статора равна величине радиуса внутренней стенки статора, а каналы в роторе выполнены наклонными к радиусу ротора под определенным углом.
Недостатком известного устройства также является наличие дополнительного механического привода ротора.
Наиболее близким к предлагаемому является техническое решение по международной заявке №89903486, опубл. в Европейском патентном бюллетене №1991/15 под №0420981. Отличительной особенностью известного излучателя является то, что в нем ротор охватывает статор и вращение ротора осуществляется потоком среды, находящейся под давлением в полости статора и радиальных каналах статора прямоугольного сечения, а каналы в роторе выполнены также прямоугольного сечения, но тангенциально, что и является причиной вращения.
Пара ротор-статор в этом случае работает как подшипник скольжения, где смазкой в зазоре между сопрягаемыми поверхностями ротора и статора служит сама рабочая жидкость.
Отсутствие специального механического привода и подшипниковых узлов ротора значительно упрощает конструкцию и позволяет дать определение таким преобразователям, как «автороторные».
Основным недостатком рассмотренного устройства является выполнение конструкции без обеспечения уравновешивания сил, действующих на стенки каналов ротора при истечении жидкости через совмещенные каналы ротора и статора. Такое положение может привести к дисбалансу вращения ротора и явиться причиной интенсивного износа и «задиров» поверхностей сопряженной пары «ротор-статор», что, в свою очередь, может привести к преждевременной потере работоспособности устройства.
Конструкция также не учитывает вероятности такого взаиморасположения ротора и статора в исходном состоянии, когда все отверстия ротора/статора могут быть полностью перекрыты сопряженной поверхностью статора/ротора. Такое положение снижает надежность запуска ротора в начальный момент времени.
Конструкция ближайшего аналога на обеспечивает возможности изменения амплитудно-частотных и расходных характеристик излучателя без изменения размера диаметра сопряжения, а следовательно, и основных размеров устройства в целом, что снижает технологичность изготовления конструкции.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является:
- повышение ресурса работоспособности пары «ротор-статор»;
- повышение надежности запуска ротора в начальный момент;
- повышение технологичности изготовления конструкции.
Поставленная задача решается тем, что в автороторном преобразователе жидкости, включающем коаксиальные цилиндрические наружный ротор и статор с расположенными в стенках ротора и статора вдоль образующей цилиндров сквозными прямоугольными каналами, идентичными для ротора и статора соответственно, патрубок для подачи жидкости под давлением во внутреннюю полость статора, причем каналы статора радиальны, а в роторе выполнены наклонными к радиусу ротора, согласно изобретению каналы ротора и статора расположены таким образом, чтобы при любой комбинации совпадения каналов ротора и статора, векторная сумма сил, действующих на стенки каналов ротора при истечении жидкости, равнялась нулю, при этом высота каналов вдоль образующей цилиндров и ширина каналов по окружности сопряжения одинаковы для ротора и статора.
Возможны различные выполнения конструкции:
- каждому каналу ротора и статора соответствует диаметрально противоположный канал ротора и статора соответственно, а каналы ротора/ статора распределены по окружности равномерно с расстоянием между ближайшими стенками каналов по окружности сопряжения меньше ширины каналов «а» ротора/статора по окружности сопряжения, при этом каналы статора/ротора выполняют таким образом, чтобы все каналы статора/ротора имели возможность одновременно совпадать с каналами ротора/статора, а количество каналов статора/ротора выбирается не более, чем количество каналов ротора/статора, исходя из требуемых амплитудно-частотных и расходных характеристик преобразователя, или каналы ротора/статора выполняют равномерно распределенными по окружности с расстоянием между ближайшими стенками каналов, равным «n·а», а каналы статора/ротора разделены на группы, имеющие возможность последовательно совпадать с каналами ротора/статора, при этом количество групп равно (n+1), а количество каналов в группе и взаиморасположение каналов выбирают, исходя из требуемых амплитудно-частотных характеристик преобразователя,
где: а - ширина канала по окружности сопряжения;
n-1, 2… - натуральное число
- количество каналов ротора и статора и их взаиморасположение выполняют таким образом, чтобы угловые расстояния по окружности сопряжения между осями ближайших попарно совпавших каналов ротора и статора были равными, а каналы ротора/ статора распределены по окружности равномерно с расстоянием между ближайшими стенками каналов ротора/статора по окружности сопряжения меньше ширины каналов «а» ротора/статора по окружности сопряжения, при этом каналы статора/ротора выполняют таким образом, чтобы все каналы статора/ротора имели возможность одновременно совпадать с каналами ротора/статора, а количество каналов статора/ротора выбирается не более, чем количество каналов ротора/статора, исходя из требуемых амплитудно-частотных и расходных характеристик преобразователя или каналы ротора/статора выполняют равномерно расположенными по окружности с расстоянием между ближайшими стенками каналов, равным «n·а», а каналы статора/ротора разделены на группы, имеющие возможность последовательно совпадать с каналами ротора/статора, при этом количество групп равно (n+1), а количество каналов в группе и взаиморасположение каналов выбирают, исходя из требуемых амплитудно-частотных и расходных характеристик преобразователя,
где: а - ширина канала по окружности сопряжения;
n 1, 2… - натуральное число.
Каналы ротора и статора выполняются таким образом, чтобы векторная сумма сил, действующих на стенки каналов ротора при истечении жидкости, равнялась нулю, создавая уравновешенный вращающий момент и исключая соответствующий дисбаланс вращения ротора. Данное условие достигается выполнением каналов в роторе и статоре диаметрально противоположными. При совпадении каналов ротора и статора на стенки диаметрально противоположных каналов ротора действуют равные по величине и противоположные по направлению силы, исключая соответствующий дисбаланс вращения ротора, что повышает ресурс работоспособности пары «ротор-статор».
Условие равенства нулю векторной суммы сил, действующих на стенки каналов ротора, достигается также вариантом конструктивного исполнения, когда количество каналов ротора и статора и их взаиморасположение выбирают таким образом, чтобы угловые расстояния по окружности сопряжения между осями ближайших попарно совпавших каналов ротора и статора были равными.
Надежность запуска ротора обеспечивается за счет исключения возможности полного перекрытия всех отверстий ротора/статора сопряженной поверхностью статора/ротора в исходном положении.
Повышение технологичности изготовления конструкции, при необходимости изменения амплитудно-частотных и расходных характеристик преобразователя, достигается варьированием количества и взаиморасположения каналов без изменения размера диаметра окружности сопряжения пары «ротор-статор» и основных геометрических размеров преобразователя.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид преобразователя; на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1 при равном количестве диаметрально противоположных каналов ротора и статора в момент совпадения каналов ротора и статора; на фиг.3 - разрез по А-А на фиг.1 при равном количестве диаметрально противоположных каналов ротора и статора в момент перекрытия каналов ротора/статора сопряженной поверхностью статора/ротора; на фиг.4 - разрез по А-А на фиг.1 при диаметрально противоположных каналах ротора и статора, при этом количество каналов статора меньше, чем у ротора; на фиг.5 - разрез по А-А на фиг.1 при диаметрально противоположных каналах ротора и статора, при этом количество каналов ротора меньше, чем у статора; на фиг.6 - развертка окружности сопряжения при расстоянии между ближайшими стенками каналов меньше ширины каналов; на фиг.7, 8, 9, 10 - разрез по А-А на фиг.1 при диаметрально противоположных каналах ротора и статора, причем одна группа каналов статора совпадет с каналами ротора, а другая группа каналов статора перекрыта сопряженной поверхностью ротора; на фиг.11 - разрез по А-А на фиг.1 при диаметрально противоположных каналах ротора и статора, причем одна группа каналов статора совпадет с каналами ротора, а другие две группы каналов статора перекрыты сопряженной поверхностью ротора; на фиг.12 - разрез по А-А на фиг.1 при равных угловых расстояниях между осями ближайших попарно совпавших каналов ротора и статора.
Автороторный импульсный преобразователь (фиг.1) жидких сред содержит цилиндрический ротор 1 со сквозными идентичными прямоугольными каналами 2, расположенными в стенках вдоль образующей цилиндра. Каналы 2 выполнены наклонными под углом 45° к радиусу ротора 1.
Коаксиально ротору 1 внутри него расположен статор 3 с идентичными радиальными каналами 4.
Расположение и количество каналов ротора и статора выбирается так, чтобы при любой комбинации совпадения каналов ротора и статора векторная сумма сил, действующих на стенки каналов ротора при истечении жидкости, равнялась нулю.
Патрубок 5 предназначен для подачи под давлением жидкости во внутреннюю полость статора 3, с которым патрубок 5 жестко соединен резьбовым соединением.
Преобразователь может быть расположен непосредственно в объеме обработанной жидкости, либо в предварительной камере озвучивания.
На фиг.2-12 представлены частные случаи выполнения каналов ротора и статора без изменения основных геометрических размеров преобразователя.
На фиг.2, 3 представлено устройство, в котором ротор 1 и статор 3 содержат по двенадцать равномерно расположенных по окружности диаметрально противоположных каналов 2, 4 одинаковой ширины «а» по окружности сопряжения. В этом случае все каналы ротора/статора одновременно совпадают с каналами статора/ротора, передавая во внешнюю среду максимальный импульс давления.
На фиг.4 приведено устройство, где ротор 1 содержит двенадцать диаметрально противоположных каналов 2 одинаковой ширины «а» по окружности сопряжения. Статор 3 содержит шесть диаметрально противоположных каналов 4, одновременно совпадающих с каналами 2 ротора 1. Изменение количества каналов в статоре 3 позволяет менять амплитудно-частотные и расходные характеристики преобразователя, не меняя конструкцию и размеры ротора и основных геометрических размеров статора.
На фиг.5 приведено устройство, где статор 3 содержит двенадцать диаметрально противоположных каналов 4 одинаковой ширины «а» по окружности сопряжения, а ротор 1 содержит шесть диаметрально противоположных каналов 2, одновременно совпадающих с каналами 4 статора 3. Уменьшение количества каналов в роторе приводит также к эффекту «вращающегося импульса давления», необходимого для обработки жидких сред в ряде технологических процессов.
В вариантах конструкций, где расстояние между ближайшими стенками в роторе/статоре по окружности сопряжения равно ширине каналов ротора/статора, при этом все каналы статора/ротора одновременно совпадают с каналами ротора/статора, существует вероятность полного перекрытия каналов ротора/статора сопряженной поверхностью статора/ротора в исходном положении, что может привести к невозможности «раскрутки» ротора в начальный момент времени.
На фиг.6 приведен фрагмент развертки конструкции, где ширина «b» между ближайшими стенками каналов по окружности сопряжения выполняется меньше ширины каналов «а» на величину «2q», гарантирующую необходимый поток жидкости для начальной «раскрутки» ротора.
Обеспечение гарантированной «раскрутки» ротора с одновременным расширением спектра амплитудно-частотных и расходных характеристик преобразователя можно достичь делением каналов статора/ротора на группы, поочередно совпадающими с равномерно расположенными по окружности каналами ротора/статора. При выходе одной группы каналов статора/ротора из «зацепления» с каналами ротора/статора каналы другой группы входят в «зацепление», при этом в начальный момент каналы хотя бы одной из групп статора/ротора находятся в «зацеплении» с каналами ротора/статора, обеспечивая раскрутку ротора в начальный момент. Каждая из групп каналов является также самостоятельным источником импульсов давления, поэтому варьирование количеством групп и каналов в каждой группе позволяет менять амплитуду и спектр частот импульсов давления, излучаемых преобразователем.
На фиг.7 представлено устройство, где двенадцать каналов 2 ротора 1 распределены по окружности равномерно с расстоянием между ближайшими стенками каналов по окружности сопряжения, равным ширине каналов по окружности сопряжения, а десять каналов 4 статора 3 разделены на две группы. При совпадении восьми каналов 4 одной группы с каналами 2 ротора 1 два канала другой группы «заперты» сопряженной поверхностью ротора. При перемещении ротора по окружности сопряжения на расстояние, равное ширине каналов, восемь каналов статора окажутся «запертыми», а два канала статора совпадут с каналами ротора.
На фиг.8 ротор 1 имеет двенадцать каналов 2, распределенных по окружности равномерно с расстоянием между ближайшими стенками каналов по окружности сопряжения, равным ширине каналов по окружности сопряжения, а восемь каналов 4 статора 3 разделены на две группы по четыре канала в каждой.
На фиг.9, 10 приведен вариант деления каналов статора на группы; при совмещении четырех каналов статора одной группы с каналами ротора, содержащего двенадцать диаметрально противоположных каналов 2 одинаковой ширины «а» по окружности сопряжения, два канала другой группы статора «заперты» (фиг.9) и наоборот (фиг.10).
На фиг.11 представлено устройство, в котором восемь диаметрально противоположных каналов 2 ротора 1 распределены по окружности равномерно с расстоянием между ближайшими стенками каналов по окружности сопряжения, равным двойной ширине каналов, а восемь диаметрально противоположных каналов 4 статора 3 разделены на три группы, поочередно входящие в «зацепление» с каналами ротора 1.
В общем случае при расстоянии между ближайшими стенками диаметрально противоположных равномерно расположенных по окружности каналов ротора/статора, равном «n·а», количество групп каналов статора/ротора, поочередно совпадающих с каналами ротора/статора, равняется «n+1», где «а» - ширина каналов статора/ротора по окружности сопряжения; n=1, 2, 3… - натуральное число. При этом количество каналов в каждой группе и их взаиморасположение выбирается, исходя из конструктивных возможностей и требований к расходно-частотным характеристикам преобразователя.
На фиг.12 представлено устройство, в котором двенадцать каналов 2 ротора 1 распределены по окружности равномерно с расстоянием между ближайшими стенками каналов по окружности сопряжения, равным ширине каналов по окружности сопряжения, а шесть каналов 4 статора 3 разделены на две группы каналов, поочередно совпадающих с каналами 2 ротора 1, при этом угловое расстояние между осями одновременно совпавших с каналами ротора каналов статора в каждой группе равно 120°. Равенство угловых расстояний между осями попарно совпадающих каналов ротора и статора также обеспечивает равенство нулю векторных сил, действующих на стенки каналов ротора, т.е. исключает соответствующий дисбаланс вращения ротора.
Устройство работает следующим образом.
Жидкая среда через патрубок 5 под давлением попадает во внутреннюю полость статора 3 и заполняет радиальные каналы 4 статора 3. При совпадении каналов 2 ротора 1 с каналами 4 статора 3 давление истекающей жидкости воздействует на наклонные стенки каналов 2 ротора 1, создавая уравновешенный вращающий момент ротора 1, при этом истекающая жидкость передает во внешнюю жидкую среду импульс давления.
При перекрытии поверхностью ротора 1 канала 4 статора 3 во внешней среде создается область разреженного давления, приводящего к эффекту кавитации, а в полости канала 4 статора 3 происходит гидроудар, передающийся на жидкость во внутренней полости статора 3. Кроме того, пара «ротор-статор» работает как «водорубка», разрезая по поверхности сопряжения истекающие струи жидкости.
Таким образом, в процессе истечения через устройство жидкость подвергается трем видам импульсной обработки: гидроударной во внутренней полости статора 3, «разрезке струй» по поверхности сопряжения пары «ротор-статор» и кавитационной - при истечении во внешнюю среду.
В случае одновременного перекрытия всех каналов ротора/статора в начальный момент работы истечение жидкости происходит через зазор «q» (фиг.6), обеспечивая начальный вращающий момент ротора.
В случае деления каналов в роторе/статоре на группы (фиг.7-12), последовательно совпадающие с равномерно расположенными по окружности каналами статора/ротора, раскрутка ротора 1 в начальный момент обеспечивается истечением жидкости через каналы хотя бы одной из групп ротора/статора, совпавшие с каналами статора/ротора. Кроме того, каждая из групп является самостоятельным источником частоты импульсов давления, а амплитудно-частотная характеристика преобразователя в целом определяется суммарным действием амплитудно-частотных характеристик каждой из групп.