Сепаратор очистки жидкости центробежный с кольцевыми каналами

Полезная модель относится к области разделения жидкостей, а именно к устройствам, предназначенным для очистки авиационного топлива от воды и взвешенных тяжелых примесей за счет центробежных сил (далее очистка).
Прототипом полезной модели является сепаратор очистки жидкости центробежный, содержащий корпус с входными отверстиями, выходным фланцем и отводным патрубком. Во внутренней цилиндрической полости корпуса размещен ротор с возможностью вращения, представляющий собой жестко, соосно закрепленные друг к другу внутреннюю и наружную трубы, между которыми образован проходной канал, при этом наружная труба снабжена отверстиями, а между наружной трубой и корпусом образован герметичный зазор для отвода примесей. За счет центробежных сил происходит очистка авиационного топлива посредством разделения смеси на легкие и тяжелых фракций, с отводом последних (Патент RU 2484877, МПК B01D 17/038, 2013).
Недостатком известного сепаратора является низкая эффективность очистки исходной смеси, обусловленная кратковременностью пребывания потока очищаемой смеси в проточной части устройства, а также низким сроком эксплуатации ввиду быстрого выхода из строя подшипниковых узлов.
Задачей полезной модели является усовершенствование сепаратора очистки жидкости центробежного, позволяющее повысить его эксплуатационные характеристики.
Техническим результатом является повышение эффективности очистки жидкости от примесей и тяжелых фракций.
Технический результат достигается тем, что сепаратор очистки жидкости центробежный содержит корпус с входным и выходным отверстиями, штуцером удаления тяжелых фракций. Внутри корпуса с возможностью вращения размещен ротор, представляющий собой жестко соосно закрепленные друг к другу центральную трубу и снабженную отверстиями внешнюю обечайку. Между внешней обечайкой и корпусом образован зазор для отвода тяжелых фракций. Отличается тем, что между центральной трубой и внешней обечайкой ротора размещен пакет концентричных труб, формирующий последовательно сообщающиеся кольцевые каналы.
Вышеуказанная сущность полезной модели является совокупностью существенных признаков полезной модели, обеспечивающих достижение заявленного технического результата.
Полезная модель по сравнению с прототипом обеспечивает такое время пребывания очищаемой жидкости в состоянии ламинарного течения при одновременном действии на нее центробежных сил, которое позволяет достичь более глубокой степени очистки исходной смеси от примесей и тяжелых фракций.
При течении жидкости в кольцевом канале ламинарное течение возникает и стабилизируется при числах Рейнольдса:
где: υ - скорость потока жидкости;
v - показатель кинематической вязкости жидкости;
экв
экв
d - эквивалентный диаметр канала, который для кольцевого канала равен разности наружного и внутреннего диаметров канала d=D-d.
экв
Так как показатель кинематической вязкости (v) определяется типом очищаемой жидкости, а скорость потока жидкости (υ) и эквивалентный диаметр канала (d) приняты исходя из требуемой производительности, то добиться более глубокой очистки топлива можно за счет увеличения длины кольцевого канала, что позволит увеличить время пребывания в нем ламинарного потока жидкости, находящегося под действием центробежных сил.
В описании прототипа указано, что экспериментально установлено оптимальное соотношение длин наружной и внутренней трубы (L) к наружному диаметру внутренней трубы (d), которое не должно превышать значений порядка: L/d<6…8. Такое соотношение является оптимальным, поскольку его превышение приводит к увеличению вибраций и быстрому выходу из строя подшипниковых узлов.
Но испытания образцов прототипа показали, что длину канала можно увеличивать, не превышая определенный, указанный выше, предел (L/d<6…8).
Технический результат, достигаемый в заявленной полезной модели, заключается в более глубокой очистке топлива при сохранении габаритов устройства за счет увеличения времени пребывания в нем ламинарного потока очищаемой жидкости, находящегося под действием центробежных сил.
За счет лабиринта из кольцевых каналов устранен предел отношения длин наружной и внутренней трубы (L) к наружному диаметру внутренней трубы (d), которое для аналога не должно было превышать значений порядка: L/d<6…8.
В частных случаях допустимо выполнять полезную модель следующим образом.
Корпус целесообразно выполнять в виде цилиндра с фланцем входного отверстия и крышкой, между которыми на подшипниках установлен ротор. При этом ротор снабжен лопатками со стороны крышки и закрыт с двух торцов дисками. Входное отверстие соединено с внутренней полостью центральной трубы, которая снабжена со стороны крышки сквозными окнами, и закрыта с этого конца хвостовиком. При этом пакет концентричных труб составлен из трех труб. Предпочтительно при этом обечайку, лопатки и один из дисков выполнять одной сварной деталью, в которой лопатки образуют крыльчатку, выполняющую роль нагнетателя для движения потока жидкости. Лопатки крыльчатки при этом будут соединять наружную цилиндрическую трубу обечайки с ее диском, закрепленным на центральной трубе. Один подшипник ротора закреплен в корпусе, а другой - в съемной крышке корпуса. Соединенный с лопатками диск желательно соединять с центральной трубой шлицевым соединением со стопорным кольцом. Другой диск при этом может быть снабжен проточкой под внешнюю обечайку, размещен в проточке центральной трубы и прижат к внешней обечайке гайкой.
Пакет концентричных труб предпочтительно выполнен обеспечивающим последовательное движение потока жидкости от первого, прилегающего к центральной трубе канала, до последнего, прилегающего к обечайке канала, при этом направление движения потоков в смежных кольцевых каналах противоположное.
На внутренней поверхности всех труб пакета в конце каждого кольцевого канала по ходу движения потока целесообразно выполнять кольцевые проточки с установленными в них трубками, соединяющими каждую проточку с последним, прилегающим к обечайке каналом.
Кольцевые каналы сепаратора могут быть разделены радиальными перегородками на секции, сечение которых по форме близко к прямоугольному.
Входное и выходное отверстия желательно размещены с противоположных торцов корпуса.
Сепаратор очистки жидкости центробежный представлен на фиг. 1, где показан его продольный разрез. На фиг. 2 показан поперечный разрез пакета из труб в зоне сечения А-А фиг. 1, на фиг. 3 - увеличено продольный разрез сепаратора в области лопаток, на фиг. 4 - увеличено продольный разрез сепаратора на другом торце пакета из труб, сечение В-В фиг. 2, на фиг. 5 - увеличено продольный разрез сепаратора на этом торце пакета из труб, сечение Г-Г фиг. 2, на фиг. 6 - поперечный разрез центральной трубы в области сквозных окон.
Сепаратор очистки жидкости центробежный (фиг. 1) состоит из корпуса 1, выполненного в виде цилиндра с фланцем и крышкой 5, между которыми на подшипниках 6 установлен ротор (не обозначен). Ротор представляет собой центральную трубу 7, на которой установлены пакет 9, состоящий из трех концентричных труб 10, внешняя обечайка 8, лопатки 11 и два диска 12, 13. Базовым элементом ротора является центральная труба 7, на которой установлен пакет 9 (фиг. 2), состоящий из трех концентричных труб 10. Пакет 9 расположен в кольцевом просвете между наружной поверхностью 71 центральной трубы и внутренней поверхностью 81 обечайки. С одного торца обечайка 8 посредством лопаток 11 соединена с диском 12 (фиг. 3). Обечайка 8, лопатки 11 и диск 12 являются одной монолитной (сварной) деталью, в которой лопатки образуют крыльчатку. Для передачи крутящего момента от центральной трубы 7 на диске 12 и центральной трубе выполнены шлицы (не показаны). Сборка ротора в единый узел обеспечивается, с одной стороны, шлицевым соединением диска 12 с центральной трубой 7 (не показано) и стопорным кольцом 16, ограничивающим продольное перемещение диска 12 по трубе 7 в сторону крышки 5, а с другой стороны - диском 13, который опирается на торец обечайки 8 (фиг. 4) и прижимает пакет 9 к диску 12. Диск 13 снабжен проточкой под внешнюю обечайку 8 и размещен в проточке центральной трубы 7. Этим обеспечивается концентричность центральной трубы и цилиндрической перфорированной обечайки. Усилие для фиксации диска 13 в прижатом состоянии обеспечивает гайка 14, застопоренная отгибной шайбой 15. Трубы 10 собраны в пакет 9 посредством винтов 17. Концентричность установки труб в пакете обеспечивают гладкие проходные втулки 18. В радиальном направлении трубы пакета изнутри прижаты навинченными на винты 17 гайками 19, выполняющими роль внутренних дистанционных втулок. В собранном роторе между трубой 7, трубами 10 пакета 9 и обечайкой 8 образуется лабиринт из кольцевых каналов. Движение потоков жидкости в соседних каналах будет встречным (показано стрелками). По ходу движения жидкости в конце каждого кольцевого канала на внешней поверхности образующей его трубы имеются кольцевые проточки 20 (фиг. 3, 4, 5). Трубки 21, 22, 23 соединяют каждую из проточек 20 с внешним кольцевым каналом 24, образованным наружной трубой пакета 9 и внутренней поверхностью обечайки 8. Трубки служат для отвода в канал 24 тяжелых фракций, отделенных в каждом из расположенных ниже каналов. По всей длине трубчатой обечайки 8 в ней выполнены малые отверстия 25, через которые отделенные твердые частицы и тяжелые фракции поступают в кольцевой зазор 26 (зазор между неподвижным корпусом 1 и вращающейся обечайкой 8). Отверстия 25 выполнены равномерно по всей длине обечайки. Для удаления отделенных фракций из сепаратора предназначен штуцер 4.
Для устранения утечек жидкости из зон с разным составом и давлением служат уплотнительные манжеты 27, установленные между неподвижными и вращающимися деталями сепаратора.
На противоположной от входа стороне центральной трубы 7 жестко закреплен хвостовик 28, предназначенный для привода ротора во вращение. В непосредственной близости от места крепления хвостовика в трубе 7 выполнены равномерно распределенные по диаметру сквозные окна 29 (фиг. 1, 6), соединяющие полость центральной трубы 7 с прилегающим к ней (входным) кольцевым каналом ротора.
С целью увеличения длины участков стабилизированного ламинарного течения и общего расхода жидкости, протекающей через устройство, его кольцевые каналы разделены радиальными перегородками на секции. Сечение секций по форме близко к прямоугольному, когда толщина канала кольцевого сектора, ограниченного двумя соседними перегородками, равна расстоянию между этими перегородками.
Для подвода исходной (неочищенной) смеси в устройство служит имеющееся в корпусе 1 входное отверстие 2 с фланцем, а для отвода очищенного топлива служит расположенное с противоположной стороны корпуса выходное отверстие 3 в виде патрубка с фланцем. Входное отверстие может представлять собой ограниченную зону с входными окнами.
Сепаратор очистки жидкости центробежный работает следующим образом. Входное 2 и выходное 3 отверстия через фланцы присоединяют к соответствующим трубопроводам, после чего ротор приводят во вращение.
При вращении ротора лопатки 11 крыльчатки, выполняя функцию насоса, создают перепад давлений, за счет которого жидкость, поступая через входное отверстие 2 корпуса в устройство, движется по центральной трубе 7. В конце трубы 7, через имеющиеся в ней окна 29, исходная смесь попадает в лабиринт, образованный пакетом из труб 10, расположенным в кольцевом пространстве между центральной трубой 7 и обечайкой 8. В первом кольцевом канале направление движения потока становится противоположным его направлению в трубе 7. Во втором канале оно становится противоположным его направлению в первом кольцевом канале и т.д. На приведенных фигурах количество труб 10 в пакете 9 равно трем, но в общем случае оно может иметь любое целое значение.
За счет малой разности между внешним и внутренним диаметрами кольцевых каналов и относительно большой длины каналов лабиринта обеспечивается формирование в них большого участка стабилизированного ламинарного режима течения (стабилизация ламинарного потока происходит на участке, длиной от 15 до 50 разностей D-d от места входа в канал).
Под действием центробежных сил происходит разделение смеси на фракции по плотности, причем с момента входа в канал у внешней образующей каждого кольцевого канала происходит концентрация тяжелых фракций. В конце каждого кольцевого канала на внутренней поверхности образующей его трубы (являющейся внешней стенкой канала) выполнены кольцевые проточки 20, в которых собираются отделенные при течении в этом канале тяжелые фракции. Эти фракции посредством отводных трубок 21 (в первом канале, фиг. 4), 22 (во втором канале, фиг. 3) и 23 (в третьем канале, фиг. 5) непрерывно отводятся во внешний кольцевой канал 24 в зону, непосредственно примыкающую к внутренней поверхности обечайки 8 ротора.
В четвертом, наиболее удаленном от центра вращения, канале действие центробежных сил на отделяемые тяжелые фракции максимально, и они, прижатые центробежными силами к внутренней стенке перфорированной обечайки 8, через расположенные по ее длине малые отверстия 25 отводятся в кольцевой зазор 26 между обечайкой и корпусом 1. При работе устройства происходит непрерывное заполнение канала 26 отделяемыми фракциями и непрерывный отвод их из устройства через штуцер 4. Очищенная жидкость (топливо), проходя через лопатки 11 и диффузор, также непрерывно отводится из устройства через патрубок выходного отверстия 3.