CN101918121A - 混合器组件及混合器组件中的流动控制方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种混合器组件，其包括电机、电机轴、连接到所述电机轴上且由所述电机驱动而在围绕螺旋桨轴线(A)的第一旋转方向(RD)上运转的螺旋桨，所述螺旋桨(3)在运转期间完全浸没在液体中并且在旋转时产生从所述螺旋桨的抽吸侧(S)流向压力侧(P)的液体流。在所述螺旋桨的抽吸侧上设有流动控制叶片(11)，所述流动控制叶片定位在轴向平面内，以使液体从基本上为轴向流偏转成包含周向方向分量的液体流(DF)，所述周向方向与所述螺旋桨的旋转方向(RD)相反。还公开了一种由在运转期间完全浸没在液体中的混合器螺旋桨来提供轴向液体流(FD)的方法，包括通过流动控制叶片(11)的设置而在所述混合器螺旋桨的抽吸侧(S)上施加流动控制的步骤。

Description

混合器组件及混合器组件中的流动控制方法
技术领域
本发明涉及设置成浸入液体中并且能够操作成通过被驱动旋转的螺旋桨来搅动液体的混合器。本发明还涉及一种用于控制通过混合器组件的流动的方法。
背景技术
所指的混合器主要用于在一定量的液体中产生并保持运动，以防止散布在液体中的固体物质的沉淀或结聚，或者用于对具有不同密度的液体进行去层理作用(de-stratification)，用于对液体中的物质进行均质化或混合等。典型的应用包括例如废水处理、水净化、PH-中和、氯处理工艺、冷却应用、除冰应用、肥料处理工艺。
典型的混合器包括由电机驱动的螺旋桨。电机包含在保护电机及电气部件不受周围液体影响的电机壳体中。电机轴从电机壳体的一端延伸，以便相对于电机及电机壳体轴向安装螺旋桨桨毂。电机壳体的相对端可设有安装件，混合器可通过该安装件而支撑在保持液体的容器的壁上，但是也可设想出其他安装件。
螺旋桨通常具有至少两个支撑在螺旋桨桨毂上以便关于螺旋桨轴线径向延伸的螺旋桨叶片。可替代地，可将单个螺旋桨叶片设置成围绕螺旋桨桨毂螺旋延伸。在旋转时，螺旋桨使其抽吸侧压力下降，并使压力侧上压力相应地升高。该压差导致通过螺旋桨的液体流，该液体流从其抽吸侧流向压力侧。由于压力侧通常远离电机和电机壳体，因此主要流动通常是沿轴向离开混合器。
因此，螺旋桨在旋转时产生轴向推力，该推力的大小由混合器的液压部件的设计、螺旋桨设计、旋转速度和电机容量来确定。与混合器容量相关的在大量液体中产生循环流动的搅拌结果主要取决于混合器在螺旋桨下游产生喷射流的效率。联系含有诸如纤维材料和较重的有机颗粒(其消耗由混合器引入的能量)的固体物质的废水的搅拌，能够容易地理解延展的喷射流的重要性。
在对周围液体敞开的浸入式混合器中，通过螺旋桨的体积/时间流较高，从而产生主要为轴向的流动。然而，螺旋桨还在液体中产生了旋转运动。当液体通过螺旋桨时，在静压和动能方面，总体能量是增大的。静压提供了轴向推力，而在混合器应用中通常是不利的动能则是由液体在通过螺旋桨时在液体中引起的运动的旋转分量产生的。为了得到最大的静压/轴向推力，由此希望抑制从混合器的螺旋桨排出的液体的旋转。
一般而言，螺旋桨叶片设计是比较成熟的技术。(通过动量方程)已知轴向推力与通过混合器的轴向速度的增加成比例。由螺旋桨叶片和叶轮产生的流动的大小和方向可通过在螺旋桨的一部分上应用速度三角形来演示，正如例如Stepanoff在“离心及轴流泵”(1948，1993再版)(第3.1和3.5章)中所教导的。
这里所考虑的用于进行分析的螺旋桨部分为由围绕图1所示的“流线”SL的轴线A的旋转RD所限定的流线型表面(stream surface)。流线SL开始于螺旋桨上游，通过螺旋桨叶片前缘LE，并终止于后缘TE下游。
图1a概略地显示了用于流线型表面示例的速度三角形。液体的绝对速度C、螺旋桨的旋转速度U、以及液体相对于螺旋桨的速度W之间的相互关系为C＝U+W。这样，就可以为多个流线型表面确定螺旋桨部分的前缘和后缘处的绝对速度C。在螺旋桨的前缘(用标记1表示)，流量和绝对速度矢量没有任何周向分量，并因此平行于螺旋桨轴线。在螺旋桨叶片的后缘(用标记2表示)上，螺旋桨使这种流动开始旋转，并且周向分量(用标记Cu2表示)添加到绝对速度矢量上，从而绝对速度矢量不再平行于螺旋桨轴线。
以前从实践中就已知为混合器提供围绕螺旋桨的环形封套，已知这种封套为喷射环(jet ring)。喷射环的用途和作用是为了确保将液体主要沿轴向吸向抽吸侧上的螺旋桨。该环通常由从电机壳体朝螺旋桨延伸的支柱支撑。虽然该环在一定程度上有助于建立喷射流，然而该环和支柱对于排出螺旋桨的液体的旋转运动的控制或抑制无法预期并且不是很有效。
在美国专利No.4,566,801中，Salzman披露了一种包括螺旋桨的可浸入式混合器，该螺旋桨由在螺旋桨的下游具有导流体并且朝螺旋桨(即，逆着流动方向)轴向延伸的管状部分封套住，该管状部分从可连接到管状封套的排出端上的十字形臂的基部开始轴向延伸。当偶尔要求防止来自管的非轴向流动时，能够可选地使用这些导流板。
这里提及Salzman结构的目的也是为了说明另一个问题，该问题在设计用于某些规定应用的可浸入式混合器时需要加以解决。由于十字形臂和与流动方向以直角交叉的导流板的直线形前缘，Salzman的混合器易受纤维物质堵塞的影响，因此不适用于例如污水和废水应用。
与现有技术中的混合器相关的另一个问题是由于涡流的形成而到达螺旋桨的空气，该涡流是在由螺旋桨赋予的周向流动分量朝旋转的螺旋桨的抽吸侧传播时产生的。将空气吸入螺旋桨中导致推力的显著减小，即，轴向方向中的流动减少。
与现有技术中的混合器相关的再一个问题是由作用在混合器及其支撑结构上的反作用力产生的扭转应力和振动。
发明内容
一般地，本发明旨在给适于搅拌不均匀液体的可浸入式混合器提供改进的工作特性。
在第一方面，本发明的目的是由工作期间浸没在液体中的混合器的螺旋桨来提供增强的轴向推力和延展的喷射流。
根据第一方面，本发明的目的是提供一种混合器，其能够在从混合器的螺旋桨的排出流中实现没有旋转运动分量的轴向液体流。
在第二方面，本发明的目的是由在工作期间浸没在含纤维材料和固体物质的液体中的混合器的螺旋桨来提供增强的轴向推力和延展的喷射流。
根据第二方面，本发明的目的是提供一种混合器，其中，设计流动控制装置来避免由包含在液体中的固体所产生的堵塞和阻碍。
在第三方面，本发明的目的是提供一种混合器，其能够避免形成允许空气在抽吸侧到达螺旋桨的涡流。
在第四方面，本发明的目的是提供一种混合器，其具有减小的扭转应力和振动。
这些目的中的一个或多个可在权利要求书中限定的可浸入式混合器中实现。
简言之，根据本发明的混合器组件包括电机、电机轴、连接到所述电机轴上且由所述电机驱动而在围绕螺旋桨轴线的第一旋转方向上运转的螺旋桨，所述螺旋桨在工作期间完全浸没在液体中并且在旋转时产生从螺旋桨的抽吸侧流向压力侧的液体流。所述混合器组件的特征在于，在所述螺旋桨的抽吸侧上设有流动控制叶片，所述流动控制叶片定位在轴向平面内，以使液体从轴向流偏转成包含周向方向分量的液体流，所述周向方向与螺旋桨的旋转方向相反。
在优选实施例中，当在轴向平面中观察时，流动控制叶片是弯曲的。此外，流动控制叶片可具有复合曲率，从而在垂直于螺旋桨轴线的径向平面中也是弯曲的。
在最佳工作模式中，将流动控制叶片设计成具有流线型表面，该流线型表面在液体流中为穿过螺旋桨的每个流线产生了完全平衡由螺旋桨叶片的相应流线型表面产生的周向速度分量的周向速度分量，从而使从螺旋桨排出的液体基本上沿轴向。
在优选实施例中，螺旋桨连接到从包封在液密式电机壳体中的电机开始延伸的电机轴上，并且在运转期间浸没在液体中。在该实施例中，螺旋桨叶片的压力侧背离电机壳体，流动控制叶片由电机壳体支撑，从而用倾斜前缘朝向所述螺旋桨的抽吸侧延伸。
可将流动控制叶片的前缘设计为具有倾斜方位，完全不与流动方向垂直。该实施例的优点在于，可以有效地防止由包含在液体中的固体和纤维物质导致的堵塞。
另外的有利实施例预见到，流动控制叶片的后缘在抽吸侧靠近螺旋桨终止。该实施例不但提供了紧凑的设计，而且还提供了在螺旋桨抽吸侧上的有效流动控制，并且进一步减少了在螺旋桨的抽吸侧上在液体中形成旋转的涡流的传播。
流动控制叶片的数量可根据混合器而改变，优选地，围绕螺旋桨轴线等距离地隔开设置至少四个到六个流动控制叶片。
在根据本发明的混合器组件的进一步改进中，可将环形封套/喷射环围绕螺旋桨同心地支撑在流动控制叶片的一个或若干个自由端上。在混合器组件的另一个进一步改进中，流动控制叶片相对于螺旋桨轴线的角度方位是可调节的。
根据本发明，提供了一种由混合器螺旋桨来产生轴向液体流的方法，所述螺旋桨在运转期间完全浸没在液体中，并且经由由电机驱动的电机轴而在围绕螺旋桨轴线的第一旋转方向上旋转，所述螺旋桨在旋转时产生从螺旋桨的抽吸侧流向压力侧的液体流。所述方法的特征在于以下步骤：
-通过流动控制叶片的设置而在混合器的抽吸侧上施加流动控制，和
-对所述流动控制叶片进行定向，以将液体从基本上为轴向流偏转成包含周向方向分量的液体流，所述周向方向与螺旋桨叶片的旋转方向相反。
在最佳工作模式中，所述方法进一步包括对流动控制叶片形成流线型表面的步骤，所述流线型表面对于通过螺旋桨的每个流线都适于螺旋桨叶片的相应的流线型表面。
附图说明
下面参照附图来更加详细地说明本发明，附图示出了根据本发明的混合器组件的示例。在附图中：
图1为正视图，显示了混合器；
图1a概略地示出了通过现有技术的混合器中的独立的螺旋桨的液体流的速度三角形；
图2为图1中的混合器的侧视图；
图3为图1和2中的混合器的透视图；
图4为正视图，显示了根据本发明的混合器组件；
图4a概略地示出了通过根据本发明的混合器中的叶片和螺旋桨组件的液体流的速度三角形；
图5为图4中的混合器组件的侧视图；
图5a和5b示意性示出了包括在混合器组件中的流动控制叶片的方位和形状；
图6为图4和5中的混合器组件的透视图；
图7为正视图，显示了图4-6中的混合器组件的另一种改进；
图8为图7中的混合器组件的侧视图；和
图9为图7和8中的混合器组件的透视图。
具体实施方式
在图1-3中显示了混合器，其包括在图1中以虚线显示的电机1、在图1中同样以虚线显示的电机轴2、以及连接到电机轴2上并且由电机1旋转驱动而工作的螺旋桨3。螺旋桨3包括由螺旋桨桨毂5支撑的螺旋桨叶片4，桨毂5则能够连接到电机轴2上。在所示出的实施例中，螺旋桨包括两个叶片4，每个叶片4均包括压力侧和抽吸侧(参见图1)。旋转方向由图2的侧视图中的箭头RD表示，螺旋桨围绕螺旋桨轴线A旋转，从而产生了大体由图1中的箭头FD表示的方向上的液体流。更精确地，如图3所示，旋转的螺旋桨还赋予了液体周向方向上的分量，从而产生了如图3中箭头RF所示的非轴向流。
在所示出的混合器中，电机1封装在液密式壳体6中，电力可经由从图中省略的电缆提供给电机。用于将混合器支撑在液体中的完全浸没位置的装置通常设置在壳体6上。为了将混合器支撑在液体中，可在壳体上设置连接装置以便将混合器悬挂在从上方伸入液体中的结构上，或者悬挂在含有要由混合器在工作中处理的一定体积的液体的容器的底部或壁上。
应该将图1-3所示的混合器仅视为可实施本发明的混合器的一个示例。因此也可以设想其他设计，只要它们能够提供在工作时完全浸没在液体中的螺旋桨，以及设置成用于经由电机轴使螺旋桨旋转的电机。
在图4-6中，显示了根据本发明的混合器组件10。结合图1-3中的混合器来显示该混合器组件10，但是如上所述，壳体、电机和螺旋桨部件可以不同的方式设计。因此，混合器组件10结合了电机、电机轴和螺旋桨，该螺旋桨在工作时产生从螺旋桨的抽吸侧到其压力侧的液体流。
为了增强来自螺旋桨的轴向排出流FD，将流动控制叶片11设置在螺旋桨的抽吸侧S上。将流动控制叶片11定向成使来自抽吸侧S的大体上为轴向流的液体偏转成进入螺旋桨叶片后便包含周向方向分量的流动，该周向方向与螺旋桨叶片的旋转方向RD相反。流动控制叶片11的方位是这样的，即，当流动控制叶片11的横截面轮廓SP垂直投影到穿过螺旋桨轴线的轴向平面AP上时，该横截面轮廓SP具有相对于螺旋桨轴线A的角度方位。控制叶片11可具有如图5a所示的基本上平直的横截面轮廓SP，或如图5b所示的弯曲的横截面轮廓SP。此外，流动控制叶片11可具有复合曲率，包括还位于垂直于螺旋桨轴线A的径向平面内的弯曲的横截面轮廓。
图4a概略显示了通过将流动控制叶片11引入到螺旋桨的抽吸侧S上能够得到的结果。流动控制叶片11在螺旋桨入口处产生了旋转绝对流(包括周向分量的矢量C1)。相对流动矢量W被迫增大，因为其方向必须保持与螺旋桨叶片大致平行，尤其是在螺旋桨叶片的后缘处。其结果是，在最佳工作模式中将螺旋桨后缘处的周向分量减小为零。
在所示出的实施例中，流动控制叶片11由电机壳体6支撑，以便朝螺旋桨以倾斜的方位延伸。控制叶片在底端连接到电机壳体上，控制叶片利用其自由端12朝螺旋桨的周边区域延伸。流动控制叶片11通常围绕螺旋桨轴线A等距离地分布，其数量为至少四个，优选为至少六个或更多个流动控制叶片。
优选将流动控制叶片11成形为具有倾斜(可选地为外凸形)前缘13，前缘13以基本大于90°的角度α与液体流入螺旋桨的流动方向相对。这种倾斜结构进一步提高了防止固体和纤维物质附着在流动控制叶片11上的能力。有利的是，流动控制叶片终止于在抽吸侧S靠近螺旋桨定位的后缘13’。
流动控制叶片底端的连接机构可包括用于调节流动控制叶片相对于螺旋桨轴线A的角度方位的机构。该调节机构可包括底端和电机壳体6之间的枢转连接件14，以及底端和以可旋转的方式轴颈连接在电机壳体中的环形构件16之间的枢转连接件15。
在图7-9中，通过应用与混合器的螺旋桨同心的环形封套17而进一步改进了混合器组件10的效率。该封套或喷射环17包括面对压力侧P的直的圆筒部18，和在抽吸侧S上邻接圆筒部18的向外扩口的圆筒部19。正如从图9中可以更容易看到的，喷射环17支撑在控制叶片11的一个或若干个自由端12中，所述自由端连接到该喷射环的扩口式圆筒部19上。
通过在液体混合应用中在浸入式混合气螺旋桨的抽吸侧上施加这里所教导的流动控制，能够在从螺旋桨的压力侧排出后实现基本上为轴向的流动FD。使用常规的螺旋桨设计教导，例如在上述Stepanoff的研究中提供的那些设计，当在各个流线型表面中，流动控制叶片11的方向与下游螺旋桨叶片的形状相适应，使得螺旋桨排出流不具有、或基本上减小了周向分量时，可以基本上完全平衡由螺旋桨赋予流动的周向方向分量。
结果，充分加强了由混合器提供的喷射流和轴向推力的建立与维持，以及混合器的效率。
另一个有利效果是通过在液体混合应用中在浸入式混合器螺旋桨的抽吸侧上施加这里所教导的流动控制而实现的。流动控制叶片11有效地抵消了工作中的螺旋桨所产生的转动力矩，从而将作用在连接件和支撑结构上的、通常由反作用力引起的扭转应力降低到最小。
再一个有利效果是通过在液体混合应用中在浸入式混合器螺旋桨的抽吸侧上施加这里所教导的流动控制而实现的。流动控制叶片11有效地抵消了旋转流从螺旋桨到螺旋桨抽吸侧上液体容量的传播，这种扩展频繁地出现在现有技术中的混合器应用中。这样，通过这里所提供的教导还显著减少或避免了在抽吸侧上形成涡流。
如这里所教导的通过控制混合器螺旋桨的抽吸侧上的液体流而提供的优点也可以在混合器组件的改进实施例中获得。一种改进包括，例如，与混合器螺旋桨一起浸没、并且通过被支撑在液体上方的电机来驱动的锥齿轮传动机构。在这种实施例中，可将流动控制叶片支撑在锥齿轮传动机构上。在其他改进实施例中，流动控制叶片可由例如与电机壳体分离的电机轴壳体来支撑。在再一个实施例中，可预见的是，也可由位于螺旋桨抽吸侧上的单独结构，例如连接到液体容器上的结构来支撑流动控制叶片。本领域技术人员同样可以认识到的是，前面所公开的与本发明的不同方面相关的一个或多个特征也可单独地或以不同组合的方式进行应用，各个有利的特征给独立权利要求中所限定的方案提供了附加的益处。

Claims (12)

1.一种混合器组件，包括电机、电机轴、连接到所述电机轴且由所述电机驱动而在围绕螺旋桨轴线(A)的第一旋转方向(RD)上运转的螺旋桨，所述螺旋桨(3)在运转期间完全浸没在液体中并且在旋转时产生从所述螺旋桨的抽吸侧(S)流向压力侧(P)的液体流，其特征在于，在所述螺旋桨的抽吸侧上设有流动控制叶片(11)，并且所述流动控制叶片(11)定位在轴向平面内，以将液体从基本上为轴向流偏转成包含周向方向分量的液体流(DF)，所述周向方向与所述螺旋桨的旋转方向(RD)相反。
2.如权利要求1所述的混合器组件，其特征在于，所述流动控制叶片(11)在所述轴向平面内是弯曲的。
3.如权利要求2所述的混合器组件，其特征在于，所述流动控制叶片(11)在垂直于所述螺旋桨轴线的径向平面内也是弯曲的。
4.如权利要求2或3中任一项所述的混合器组件，其特征在于，所述流动控制叶片(11)设计成具有流线型表面，所述流线型表面在液体流中为穿过所述螺旋桨的每个流线(SL)产生周向速度分量，所述周向速度分量完全平衡由螺旋桨叶片(4)的相应的流线型表面产生的周向速度分量。
5.如前述权利要求中任一项所述的混合器组件，其特征在于，所述螺旋桨连接到从包封在液密式电机壳体(6)中的电机开始延伸的电机轴上，并且在运转期间浸没在液体中。
6.如权利要求5所述的混合器组件，其特征在于，所述螺旋桨的压力侧(P)背离所述电机壳体(6)，并且所述流动控制叶片(11)由所述电机壳体支撑，从而以倾斜前缘(13)朝所述螺旋桨的抽吸侧(S)延伸。
7.如权利要求6所述的混合器组件，其特征在于，所述流动控制叶片(11)的后缘(13’)终止于所述螺旋桨附近。
8.如前述权利要求中任一项所述的混合器组件，其特征在于，围绕所述螺旋桨轴线(A)等距离地间隔设置至少四个，优选为至少六个所述流动控制叶片(11)。
9.如权利要求8所述的混合器组件，其特征在于，环形封套(17)围绕所述螺旋桨同心地支撑在所述流动控制叶片的一个或若干个自由端(12)上。
10.如前述权利要求中任一项所述的混合器组件，其特征在于，所述流动控制叶片(11)相对于所述螺旋桨轴线(A)的角度方位是可调的。
11.一种由混合器螺旋桨来提供轴向液体流(FD)的方法，所述螺旋桨在运转期间完全浸没在液体中，并且经由由电机驱动的电机轴而在围绕螺旋桨轴线(A)的第一旋转方向(RD)上旋转，所述螺旋桨(3)在旋转时产生从所述螺旋桨的抽吸侧(S)流向压力侧(P)的液体流，所述方法的特征在于以下步骤：
-通过流动控制叶片(11)的设置而在所述混合器螺旋桨的抽吸侧(S)上施加流动控制，和
-对所述流动控制叶片进行定向，以将液体从基本上为轴向流偏转成包含周向方向分量的液体流(DF)，所述周向方向与所述螺旋桨的旋转方向(RD)相反。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于进一步包括对所述流动控制叶片(11)形成流线型表面的步骤，所述流线型表面对于通过所述螺旋桨的每个流线(SL)都适于螺旋桨叶片(4)的相应的流线型表面。
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