CN114029015B - 一种转子-径隙式水力空化反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种转子‑径隙式水力空化反应器，包括转子、定子、外壳、轴、轴封、联轴器和驱动装置，所述外壳为蜗壳式结构，流体沿圆侧面水平切向式流入，沿外壳上侧面流出；所述转子和定子均位于外壳内部；所述转子为半开式叶轮结构，每一个叶片上均设置有多个未穿透盲孔。所述定子为圆柱体结构，位于流体入口与转子之间。所述定子与转子相对的圆面上设有多个矩形流道，每个矩形流道构成一个定子空化单元。本发明针对传统的水力空化反应器如孔板、文丘里管空化强度低，能量利用率低的缺点，提供一种新型转子‑径隙式水力空化反应器，能够增大空化效率，提高空化强度，同时具备一定扬程，对水力空化的研究和应用具有重要意义。

Description

一种转子-径隙式水力空化反应器

技术领域

本发明属于流体机械技术领域，具体涉及一种转子-径隙式水力空化反应器。

背景技术

19世纪进入蒸汽时代以来，蒸汽机械得到大量使用，人们随之发现当螺旋桨速度增大到一定程度时，船只的航行速度却不能随之提高，甚至某些蒸汽机船出现了螺旋桨推进速度降低的情况，针对这一现象，Bamyby和Parsons首次明确提出“空化”这一概念，此时所指的“空化”就是水力空化。水力空化是指当流体局部压力低于该状态饱和蒸汽压时，液体内部的空泡产生、生长以及溃灭的过程。空泡溃灭过程中会导致温度和压力的急剧上升，这就导致了水力机械如叶轮的损伤、振动噪声加剧和性能下降，但是利用空化产生的高温高压的液体环境可以实现对各种化学、物理过程的强化，这就为应用水力空化提供了可能。

随着近代工业的迅速发展，水力空化现象得到了一系列应用，经过实践证明在工业领域利用空化现象具有足够的可行性，将水力空化设备在空化发生时产生的物理化学条件应用于工业生产中，如水处理、冲击破岩、乳液制备、食品加工等。

水力空化反应器是水力空化的发生装置，在其应用中发挥着重要作用。由于传统的水力空化反应器如孔板、文丘里管都存在空化强度低，能量利用率低的缺点，无法进行大规模工业应用，限制了水力空化技术的进一步发展。因此，研究高效节能的新型水力空化反应器是重中之重。

发明内容

本发明针对传统的水力空化反应器如孔板、文丘里管空化强度低，能量利用率低的缺点，提供一种新型转子-径隙式水力空化反应器，能够增大空化效率，提高空化强度，同时具备一定扬程，对水力空化的研究和应用具有重要意义。

本发明采用的技术方案如下：一种转子-径隙式水力空化反应器包括转子、定子、外壳、轴、轴封、联轴器和驱动装置，所述外壳为蜗壳式结构，由两个垂直圆侧面、一个上侧面和一个圆周侧面组成，流体入口位于外壳的一个垂直圆侧面上且流体沿该圆侧面水平切向式流入，沿外壳上侧面流出；所述转子和定子均位于外壳内部，定子靠近流体入口所在的垂直圆侧面且保持不动，转子通过轴与外壳外的驱动装置相连；所述定子与转子面对面设置；所述定子中心中空，设有流体通道供流体由入口流入定子与转子的间隙中，流体由轴向进入，经过水力空化反应后被转子旋转径向甩出；轴通过联轴器与外部的驱动装置相连，穿出外壳的部分轴通过轴封实现与外壳的密封。

本发明中，所述定子上设有多个矩形流道，每个矩形流道构成一个空化单元。

本发明中，所述转子叶片为半开式叶片，叶片型线使用贝塞尔二阶曲线拟合而成。

本发明中，所述转子每个叶片上有不少于四个的转子盲孔，所述转子盲孔为圆柱形盲孔、文丘里形盲孔或者其他内部构造的盲孔，所述转子盲孔以均匀分布、辐射分布或环状分布的排布方式分布在所述转子上。

本发明中，所述定子空化单元，宽度均不大于2 mm，长度均不大于20 mm，深度均不小于5 mm。所述空化单元以环状排列或交错排列或垂直排列的排布方式分布在所述定子上。

本发明中，所述转子盲孔与所述定子空化单元在同一圆周半径上，使得在旋转过程中转子盲孔流经空化单元上方。

本发明中水力空化反应器的上述结构，可以产生强烈的空化效果。转子旋转过程中叶片吸力面产生低压区，低于对应状态下饱和蒸汽压，空化发生。空泡经由转子诱导至定子空化单元发展，空化单元内部的涡流和低压分离区增大了流体的湍流脉动速率和湍动能强度，提供了空泡发展的条件，有利于空泡在空化单元内的继续发展。且当转子转过叶轮区域时，流体高速流入和流经定子空化单元和转子盲孔，发生强烈的剪切空化。定子盲孔和转子之间存在间隙，足够小的间隙使流体高速流动，压力降低，促进空化的发生。空化发生时，以机械效应、化学效应、热效应的形式影响着周围的液体环境，利用这种液体环境可以实现某些过程的实现和强化。

本发明的优点在于：

1、结构简单，操作方便，空化强度大，能量利用率高，空化效率高，易实现大规模应用。

2、具备一定扬程，在管路中不必再多加动力装置即可实现正常运行。

3、各部件易更换方便，易于维修，无脆弱零件，故障率低，使用寿命长。

附图说明

图1是本发明转子-径隙式水力空化反应器的结构示意图；

图2是本发明转子-径隙式水力空化反应器的外壳结构示意图；

图3是本发明转子-径隙式水力空化反应器的定子结构示意图；

图4是本发明转子-径隙式水力空化反应器的转子结构示意图；

图中，1.流体出口，2.转子，3.轴，4.转子孔，5.轮毂，6.外壳，7.流体入口，8.定子，9.定子空化单元，10.轴通道，11.轴封，12.联轴器，13.驱动装置，14.流体流动通道。

实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方法，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

本说明书中所引用的位置限定用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

参阅附图，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

如图1所示，为本发明转子-径隙式水力空化反应器结构示意图，本发明转子-径隙式水力空化反应器由转子2、轴3、外壳6、定子8、轴封11、联轴器12和驱动装置13构成。所述外壳6为蜗壳式结构，所述转子2和定子8位于反应器内部，转子2和定子8面对面放置，转子2通过轴3实现转动，轴3通过联轴器12与外部的驱动装置13相连，传出外壳6的部分轴通过轴封12实现与外壳的密封。

如图2所示，为本发明转子-径隙式水力空化反应器的外壳结构示意图，如图2所示，所述外壳6为蜗壳状，由两个垂直圆侧面、一个上侧面和一个圆周侧面组成，所述外壳设有三个通道，分别是流体出口1、流体入口7、轴通道10。流体入口7位于外壳6的一个垂直圆侧面上，流体出口1位于外壳6的上侧面上，流体沿圆侧面水平切向式流入，沿上侧面流出。轴通道在流体入口7所在垂直圆侧面相对的侧面上，供连接转子的轴3穿过外壳与驱动装置13连接。

图3是本转子-径隙式水力空化反应器转子结构示意图，所述转子为半开式叶轮结构，位于外壳内侧面和定子之间，由转子2、转子盲孔4、轮毂5组成。转子型线由二阶贝塞尔曲线拟合而成，转子2依附于轮毂5上，在叶片上设有多个未穿透的盲孔4，每个转子盲孔4的孔径均不大于5mm，且深度均不小于5mm，转子通过轴穿过轴通道与外壳外的驱动装置连接。转子盲孔4的尺寸和数量可根据所需水力空化的强度进行调整。当转子旋转时，转子和定子空化单元以及转子盲孔4产生强烈的剪切空化效果，转子诱导部分空泡进入定子空化单元中，经由空化单元的特殊结构激发发展。

如图4所示，是本发明转子-径隙式水力空化反应器定子结构示意图，所述定子8为圆柱体结构，位于外壳内侧面和转子之间，其中圆面与转子叶片相对放置。所述定子8与转子相对的圆面上设有多个矩形流道，每个矩形流道构成一个空化单元9。所述定子中部中空，设有流体流动通道14，流体由外壳上的入口流入，顺着定子8上的流动通道14流入定子8和转子之间的间隙中。转子高速转动，因此间隙中流体高速流入空化单元9中，一方面发生强烈的剪切空化效果，另一方面空化单元9中存在分离区和涡流的影响，湍动能和湍流脉动速率较大，空泡在其中激发发展。

下面结合图1-4对本发明的转子-径隙式空化反应器作用机理说明如下：流体通过流体入口穿过外壳进入反应器内部，后通过定子中部的流体通道进入定转子的间隙中，经过转子的旋转离心通过流体出口甩出。在此过程中空化的产生机理主要如下所述：

（1）转子在旋转过程中产生压力面和吸力面，吸力面压力极低，低于对应温度下的饱和蒸汽压时，空化发生。

（2）转子旋转过程中，流体流过定子空化单元和转子盲孔发生强烈的剪切空化效果，形成空化。

（3）较小的间隙导致流体和被转子诱导的空泡高速流入定子空化单元中，空化单元中存在涡流和分离区，形成局部低压区，同时增大了湍动能和湍流脉动速率，促进了空泡在定子空化单元中的发展。

以上虽结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但并不局限于本发明的保护范围，所属领域的技术人员应明白，在本发明的技术方案基础上，本领域的技术人员无需付出创造性劳动就可对本发明的各种等效结构或等效流程进行修改或变形，或直接或间接应用于其他相关技术领域，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种转子-径隙式水力空化反应器，其特征在于，包括转子、定子、外壳、轴、轴封、联轴器和驱动装置，所述外壳为蜗壳式结构，由两个垂直圆侧面、一个上侧面和一个圆周侧面组成，流体入口位于外壳的一个垂直圆侧面上且流体沿该圆侧面水平切向式流入，沿外壳上侧面流出；所述转子和定子均位于外壳内部，定子靠近流体入口所在的垂直圆侧面且保持不动，转子通过轴与外壳外的驱动装置相连；所述定子与转子面对面设置；所述定子中心中空，设有流体通道供流体由入口流入定子与转子的间隙中；所述定子与转子相对的圆面上设有多个矩形流道，每个矩形流道构成一个定子空化单元；轴通过联轴器与外部的驱动装置相连，穿出外壳的部分轴通过轴封实现与外壳的密封。

2.根据权利要求1所述的转子-径隙式水力空化反应器，其特征还在于，所述转子为半开式叶轮结构，由叶片、轮毂、转子盲孔组成；所述叶片依附于轮毂上；所述轮毂靠近外壳的内壁面，轮毂通过轴与外壳外的驱动装置相连；所述转子每一个叶片上均设置有多个未穿透转子盲孔。

3.根据权利要求1所述的转子-径隙式水力空化反应器，其特征还在于，所述定子为圆柱体结构，位于流体入口与转子之间。

4.根据权利要求2所述的转子-径隙式水力空化反应器，其特征还在于，所述转子每个叶片上盲孔数量不少于4个，形状为圆柱形盲孔、文丘里形盲孔或者其他内部构造的盲孔。

5.根据权利要求2所述的转子-径隙式水力空化反应器，所述转子叶片型线使用贝塞尔二阶曲线拟合而成。

6.根据权利要求3所述的转子-径隙式水力空化反应器，其特征还在于，所述定子空化单元，宽度均不大于2 mm，长度均不大于20 mm，深度均不小于5 mm。

7.根据权利要求3所述的转子-径隙式水力空化反应器，其特征还在于，所述空化单元以环状排列或交错排列或垂直排列的排布方式分布在所述定子上。

8.根据权利要求2所述的转子-径隙式水力空化反应器，其特征还在于，所述转子盲孔与所述定子空化单元在同一圆周半径上，使得在旋转过程中转子盲孔流经空化单元上方。

9.根据权利要求2所述的转子-径隙式水力空化反应器，其特征还在于，所述转子与所述定子之间存在间隙，间隙长度不小于1mm，不大于3mm。

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