CN113562806B - 一种基于自激振荡空化叶轮的水处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水处理设备，尤其是一种用于船舶压载水处理的空化装置。一种基于自激振荡空化叶轮的水处理装置，包括静叶轮和动叶轮；所述静叶轮与动叶轮相对的面上设有若干斜齿结构，所述斜齿结构之间形成空腔；所述动叶轮与所述静叶轮相对的面上设有若干齿形结构，齿形结构之间设有第一振荡腔。本发明的装置，利用表面刻蚀微文丘里管结构的静叶轮，及具有自激振荡腔结构的动叶轮，在动叶轮旋转过程中，两个叶轮之间形成高强空化作用，利用空化生成的高温高压及强烈的机械作用，杀灭藻类及微生物，达到水处理的目的。

Description

一种基于自激振荡空化叶轮的水处理装置

技术领域

本发明涉及一种水处理设备，尤其是一种用于船舶压载水处理的空化装置。

背景技术

众所周知，国际贸易中大部分以海洋航运为主。据统计，国际贸易中80%的运输量都是通过海上运输来进行。船舶空载和满载过程中，水线位置会发生变化，为确保空载航行时的安全性和经济性，需要将船舶部分压载舱注满水，维持空载航行时的水线。

对于空载或处于载荷少的状态下的船舶而言，由于需要确保螺旋桨入水深度以及确保空载时的安全航行等，因而在出港前将港口的水(海水、湖水或河水)取用至压载舱以作为压载水。

船舶压载水中含有大量生物，包括浮游生物、微生物、细菌以及各种物种的卵、幼体或孢子，这些生物在跟随船舶航行的过程中有的因为无法适应温度、盐度等因素的变化而死亡，但有的能够生存下来，并最终随着船舶压载水排入新的环境中。由此导致一个水域的生物或种类繁多的生物组随着压载水传送到另一个地理性隔离水域，如果这些生物因为缺乏天敌或其他原因能够在自然或半自然的生态系统或生境中生长繁殖、建立种群，就可能威胁到这些海湾、河口或内陆水域的生态系统结构及其物种多样性，成为外来入侵种，而且压载水还会传播有害的寄生虫和病原体，甚至可能导致当地物种的灭绝。

随着国际海事组织针对生态入侵引发的环境问题提出新要求，严格控制有危险微生物和病原体的压载水及残留物的转移，有必要对船舶压载水进行处理。现阶段对压载水处理的方式有物理法和化学法，其中物理法包括过滤法、离心分离法、加热法、紫外线处理法，化学法包括电解法及氯化法。考虑船舶压载水的处理量比较大，现阶段的方法处理效率较低，易产生二次危害介质，且能耗较大，严重制约着船舶经济性指标。

空化是由于流体内局部压力低于饱和蒸气压而形成的气泡，气泡经历初生、发展，并溃灭，特别是在溃灭过程，形成高温高压射流，同时伴随着热效应、化学效应和机械效应。在水处理领域可利用空化的各类效应进行压载水处理，其中空化过程中形成的高温高压射流形成强大的力量，破坏微生物的外壁，使微生物失去活性，同时，空化过程中产生大量具有强氧化性的羟基自由基，对受到破壁损坏的微生物进行二次破坏，并对压载水环境中的有害物质进行氧化处理，使其形成不会产生污染的物质，特别是在空化热效应的促进下，其处理效果更佳。

发明内容

本发明的目的是针对现有的船舶压载水处理技术存在的问题，一种基于自激振荡空化叶轮的水处理装置，该装置采用空化和自激振荡原理，杀灭船舶压载水中的微生物，使处理后的压载水达到排放要求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于自激振荡空化叶轮的水处理装置，包括静叶轮和动叶轮；所述静叶轮与动叶轮相对的面上设有若干斜齿结构，所述斜齿结构之间形成空腔；所述动叶轮与所述静叶轮相对的面上设有若干齿形结构，齿形结构之间设有第一振荡腔。

进一步地，静叶轮和动叶轮的外部设有蜗壳，蜗壳的上部连接上端盖，蜗壳的下部连接下端盖；上端盖和下端盖上设有出流口；所述静叶轮与上端盖的下端面固定连接。

进一步地，所述上端盖的下端面中部设有锥形面，所述锥形面的顶部与静叶轮中心的通孔相对。

进一步地，所述静叶轮上的斜齿结构与水平方向呈5-15度的倾斜角度。

进一步地，所述蜗壳的内壁设有向内突出的W型结构；所述W型结构中间的峰正对两个叶轮的间隙，两侧的峰分别与两个叶轮构成周向文丘里管结构。

进一步地，所述第一振荡腔的下方设有第二振荡腔；第二振荡腔的上端与第一振荡腔连通，第二振荡腔的下端与动叶轮内的出液通道一一相对。

进一步地，所述的动叶轮通过中空轴与驱动装置连接；所述的驱动装置包括电机、两个锥齿轮和一个换向齿轮，所述两个锥齿轮分别固定在电机轴及中空轴上，所述换向齿轮分别与两个锥齿轮啮合。

进一步地，所述中空轴内设有通流管，所述通流管的一端设有分流喷头，另一端连接旋流文丘里管；所述分流喷头位于动叶轮的内部空腔内。

进一步地，所述分流喷头包括轴向空腔和若干径向分支；所述轴向空腔的出口与叶轮的中心孔连通；所述径向分支的出口与动叶轮内部空腔的出液通道一一相对。

本发明的装置，利用表面刻蚀微文丘里管结构的静叶轮，及具有自激振荡腔结构的动叶轮，在动叶轮旋转过程中，两个叶轮之间形成高强空化作用，利用空化生成的高温高压及强烈的机械作用，杀灭藻类及微生物，达到压载水处理的目的。

附图说明

图1为本发明实施例的基于自激振荡空化叶轮的水处理装置结构示意图；

图2为蜗壳的结构示意图；

图3为上端盖的结构示意图；

图4为静叶轮的结构示意图；

图5为动叶轮的结构示意图；

图6为中空轴的结构示意图；

图7为分流喷头结构示意图；

图8为本发明实施例中自激振荡空化叶轮的水处理装置的工作原理图；

图9为图8中第Ⅱ部分的局部放大图；

图中：1. 电机；2. 第一锥齿轮；3. 换向齿轮；4. 第二锥齿轮；5.下端盖；6. 蜗壳；6-1.O型圈槽；6-2. 两侧的峰；6-3. 中间的峰；7. 上端盖；7-1. 出流口；7-2. 锥形面；7-3. 支座；8. 静叶轮；8-1.空腔；8-2.斜齿结构；8-3.通孔；9.动叶轮；9-1.齿形结构；9-2.第一振荡腔b；9-3. 第一振荡腔a；9-4.槽型空腔；9-5. 出液通道；9-6. 中心孔；9-7. 第二振荡腔；9-8.入口；10. 分流喷头；10-1. 径向分支的入口；10-2.轴向空腔；10-3.径向分支的出口；10-4. 轴向空腔的出口；11.通流管；12.中空轴；12-1.安装基座；12-2.轴肩；13.旋流文丘里管；14.涡流二极管。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。

本发明提供的其中一个实施例是：自激振荡空化叶轮的水处理装置，主要包括蜗壳6，设置在蜗壳6内部的静叶轮8和动叶轮9，动叶轮9通过中空轴12连接电机1。在电机的驱动下，动叶轮9相对于静叶轮8作旋转运动。

蜗壳6的壳体呈圆柱形，蜗壳6的上部与上端盖7通过螺栓固定连接，蜗壳6的下端通过螺栓与下端盖5固定连接。下端盖5两侧设有两个与蜗壳内部连通的出流口。

如图3所示，上端盖7的下端面中部设有锥形面7-2，锥形面7-2的顶部与静叶轮8的中心相对。上端盖7的下端面设有4个支座7-3，该支座7-3用于固定静叶轮8，上端盖的两侧设有出流口7-1。

蜗壳6的结构如图2所示，该蜗壳6内部向内部突出形成W型结构，其中W型结构中间的峰6-3正对着两个叶轮的间隙，两侧的峰6-2分别与静叶轮8和动叶轮9的侧壁构成周向文丘里管结构，能够使水流在蜗壳侧壁形成空化流动。W型结构两侧的峰与两个叶轮侧壁的间距不超过1.5mm，确保侧壁空化流的形成。蜗壳6两端设置有O型圈槽6-1，便于与上、下端盖固定。

如图4所示，静叶轮8的下表面设有12个斜齿结构8-2，相邻的斜齿结构之间形成长槽形空腔8-1，斜齿结构表面沿旋转方向与水平方向呈8度的倾斜角度，其横切面呈楔形。静叶轮8的中部开设通孔8-3。

如图5所示，动叶轮9的中部设有中心孔9-6，动叶轮9的上端面设有12个等间距布置的齿形结构9-1，相邻的齿形结构9-1之间设有两个串联的第一振荡腔，第一振荡腔a9-3的入口与动叶轮9内的中心孔9-6相通，第一振荡腔a9-3的出口与第一振荡腔b9-2的入口相连，第一振荡腔b9-2的出口通过一段槽型空腔9-4延伸至动叶轮的外缘。

在两个第一振荡腔的下方，设有两个径向并联的第二振荡腔9-7；两个第二振荡腔9-7的出口分别与两个第一振荡腔连通，每一个第二振荡腔9-7的出口分成两个腔出口，每个腔形成一个扩散管路，将第二振荡腔9-7内形成的高频流动，扩散至第一振荡腔的进、出口，形成不同频率的流动耦合振荡。

在动叶轮9的内部设有内部空腔，内部空腔连接出液通道9-5，出液通道9-5的数量与齿形结构的数量相同，位于第二振荡腔9-7的下方，出液通道9-5的内端与动叶轮9的内部空腔连通，出液通道9-5的顶部与第二振荡腔9-7的入口9-8相通。

动叶轮9的下方连接中空轴12，动叶轮9的下端面与中空轴12上部的安装基座12-1通过螺栓固定连接。中空轴12通过外轴承和外油封与下端盖5固定。

如图6所示，中空轴12的内壁设置上下两个轴肩12-2，在中空轴12内布置有通流管11，通流管11分别通过上、下两组内轴承和内油封固定在中空轴12的轴肩12-2处。

通流管11的上端连接分流喷头10，分流喷头10嵌入动叶轮9的内部空腔。分流喷头10的结构如图7所示，由轴向空腔10-2和若干径向分支组成，径向分支的入口10-1与轴向空腔10-2相通。轴向空腔的出口10-4与动叶轮9的中心孔连接，径向分支的出口10-3与动叶轮9内的出液通道9-5一一对应。

中空轴12的下端固定有第二锥齿轮4，电机1的电机轴上固定有第一锥齿轮2，第一锥齿轮2和第二锥齿轮4分别与换向齿轮3啮合。在电机1和中空轴12之间的间隙内设有旋流文丘里管13，旋流文丘里管13一端与通流管11的下端连接，旋流文丘里管13的另一端切向连接动涡流二极管14。

本发明的自激振荡空化叶轮的水处理装置，工作原理如图8和9所示，具体为：

电机1通过第一锥齿轮2、换向齿轮3、第二锥齿轮4带动中空轴12转动，中空轴12带动动叶轮9旋转。由于静叶轮8的斜齿面沿同一旋转方向倾斜，为了达到空化效果，动叶轮9的旋转方向需要与静叶轮8斜齿结构的倾斜方向相反。

将需要处理的压载水泵入涡流二极管14，在涡流二极管的作用下气核析出，为后续进行连续空化提供气核，后续流经旋流文丘里管13进入通流管11，经分流喷头10进入动叶轮9内。进入动叶轮9内的水流通过分流喷头10分为两部分，一部分从轴向空腔的出口经动叶轮9的中心孔9-6流出。高速流体运动过程形成剪切空化，形成具有一定能量的气泡群，沿两个叶轮的齿间间隙继续流动；同时，进入两个叶轮中间间隙内的水流，随着动叶轮9的旋转，在静叶轮8表面的斜齿结构形成周期性的文丘里管流动，加速空化的产生，水流经静叶轮8中心的通孔8-3流出冲击上端盖7的锥形面7-2，被锥形面7-2分开，从上端盖7两侧的出流口7-1流出。

流经分流喷头10的径向分支的水流进入动叶轮9内部空腔的出液通道9-5，然后再经第二振荡腔9-7的入口9-8进入第二振荡腔，在第二振荡腔9-7内产生自激振荡后，在出口处分成两个腔分别进入第一振荡腔内，串联的两个第一振荡腔形成一定频率的振荡流动，当流速增加时，产生振荡空化流动；第二振荡腔9-7的水流通过自激振荡，进入第一振荡腔内影响第一振荡腔内水流的振荡流动，由于振荡流动的耦合效应，形成强烈的流场压力脉动，与两个叶轮间的文丘里管空化作用相耦合，进一步强化空化，为高效处理水提供技术条件。两部分水流在第一振荡腔内合流后进入蜗壳6内的周向文丘里管区域进一步空化后，经过下端盖5上的出流口和/或上端盖7上的出流口流出。

Claims (6)

1.一种基于自激振荡空化叶轮的水处理装置，其特征在于：包括静叶轮和动叶轮；所述静叶轮与动叶轮相对的面上设有若干斜齿结构，所述斜齿结构之间形成空腔；所述动叶轮与所述静叶轮相对的面上设有若干齿形结构，齿形结构之间设有第一振荡腔；所述第一振荡腔的下方设有第二振荡腔；第二振荡腔的上端与第一振荡腔连通，第二振荡腔的下端与动叶轮内部的出液通道连通；所述的动叶轮通过中空轴与驱动装置连接；所述中空轴内设有通流管，所述通流管的一端设有分流喷头，另一端连接旋流文丘里管；所述分流喷头位于动叶轮的内部空腔内；所述分流喷头包括轴向空腔和若干径向分支；所述轴向空腔的出口与动叶轮的中心孔连通；所述径向分支的出口与动叶轮内部空腔的出液通道一一相对。

2.根据权利要求1所述的基于自激振荡空化叶轮的水处理装置，其特征在于：静叶轮和动叶轮的外部设有蜗壳，蜗壳的上部连接上端盖，蜗壳的下部连接下端盖；上端盖和下端盖上设有出流口；所述静叶轮与上端盖的下端面固定连接。

3.根据权利要求2所述的基于自激振荡空化叶轮的水处理装置，其特征在于：所述上端盖的下端面中部设有锥形面，所述锥形面的顶部与静叶轮中心的通孔相对。

4.根据权利要求2所述的基于自激振荡空化叶轮的水处理装置，其特征在于：所述蜗壳的内壁设有向内突出的W型结构；所述W型结构中间的峰正对两个叶轮的间隙，两侧的峰分别与两个叶轮构成周向文丘里管结构。

5.根据权利要求1所述的基于自激振荡空化叶轮的水处理装置，其特征在于：所述静叶轮上的斜齿结构与水平方向呈5-15度的倾斜角度。

6.根据权利要求1所述的基于自激振荡空化叶轮的水处理装置，其特征在于：所述的驱动装置包括电机、两个锥齿轮和一个换向齿轮，所述两个锥齿轮分别固定在电机轴及中空轴上，所述换向齿轮分别与两个锥齿轮啮合。

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