CN115006885A - 一种旋片式动态水气分离器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋片式动态水气分离器，主要采用的技术方案为:底板；第一壳体，其安装在底板上并与所述底板形成密封气液分离腔体，第一壳体内设置有第一流体通道；气液混合物入口，其与第一流体通道连通；动态电机，其安装在所述第一壳体上，动态电机内设置有与第一流体通道连通的第二流体通道；旋片式叶轮，其设置在气液分离腔体内并与动态电机连接；气路排出通道，其与所述气体排出孔连通；液路排出通道，其与所述液体排出孔连通；液位压差监测装置，其安装在所述底板上，液位压差监测装置的高压端通道连接在气液分离腔体的最大直径处，液位压差监测装置的低压端通道连接在气液分离腔体最小直径处。

Description

一种旋片式动态水气分离器

技术领域

本发明涉及航天技术领域，特别是涉及一种旋片式动态水气分离器。

背景技术

在中长期载人航天飞行过程中，水是宝贵的资源，对水的循环利用可以降低航天器的入轨重量，减少航天器维持飞行所需的补给次数，从而显著的降低飞行成本，因此水的循环利用就成为长期载人航天飞行中再生式环控生保系统的关键技术之一。然而，在微重力条件下，液体和气体的混合物不会像地面一样，自然分层，多数情况下以一种气液两相流的形式存在。因此，微重力条件下水气两相流体的分离技术就成为了在轨循环利用水资源首要解决的关键技术之一。目前，实现微重力条件下水气分离的技术，主要包括了静态水气分离技术和动态水气分离技术，根据其各自的技术特点，被应用于不同的技术领域。

动态水气分离技术作为微重力条件下，水气分离的重要技术手段，具有分离处理量大、分离速度较快、适用于各种气液混合比、耐污染性强、易于主动控制等特点。在中长期载人航天器中，有着广泛的应用领域。

俄美等航天强国，早在20世纪60年代就开始了动态水气分离技术的研究，经过十几年的发展，均研制出具有各自特点的多款成熟产品，特别是按照工作环境水气体积比，演化出两类动态水气分离器：一类是适用于多气环境的皮托管式动态水气分离器，另一类是适用于多水环境的旋片式动态水气分离器。这两类动态水气分离器现已在中国天宫空间站中得到实践使用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种旋片式动态水气分离器，主要目的在于解决微重力环境液体和气体无法自然分层，影响水资源在轨循环利用的问题。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

本发明的实施例提供一种旋片式动态水气分离器。其包括：

底板；

第一壳体，其安装在所述底板上并与所述底板形成密封气液分离腔体，所述第一壳体内设置有第一流体通道；

气液混合物入口，其与所述第一流体通道连通；

动态电机，其安装在所述第一壳体上，所述动态电机内设置有与所述第一流体通道连通的第二流体通道；

旋片式叶轮，其设置在所述气液分离腔体内并与所述动态电机连接，所述旋片式叶轮包括安装在所述动态电机上的轴套和安装在所述轴套上的若干个叶片；所述轴套内设置有与所述第二流体通道的一端连通的轴套流体通道，所述轴套的底端设置有气体排出孔；所述若干个叶片内均设置有分别与所述轴套流体通道和所述第二流体通道的另一端连通的叶片流体通道，若干个所述叶片流体通道之间相互连通，若干个叶片中的一个叶片上设置有与对应的所述叶片流体通道相连通的液体排出孔；

气路排出通道，其与所述气体排出孔连通；

液路排出通道，其与所述液体排出孔连通；

液位压差监测装置，其安装在所述底板上，所述液位压差监测装置的高压端通道连接在气液分离腔体的最大直径处，所述液位压差监测装置的低压端通道连接在气液分离腔体最小直径处。

如前所述的，所述动态电机包括第二壳体、设置在所述第二壳体内并具有转轴的转子、设置在所述第二壳体内并与所述转子前端滑动连接的前端滑动轴承、设置在所述第二壳体内并与所述转子后端滑动连接的后端滑动轴承、安装在所述第二壳体内并分别与所述前端滑动轴承和后端滑动轴承滑动连接的定子；所述轴套通过键安装在所述转轴上，轴向通过轴端螺母拧紧限位；

所述第二流体通道包括设置在所述第二壳体内并与所述第一流体通道连通的第二壳体流体通道和与所述第二壳体流体通道连通并设置在所述转轴内的转子流体通道，所述转子流体通道与所述轴套流体通道连通；所述第二壳体流体通道分别与若干个所述叶片流体通道连通，所述第二壳体流体通道位于所述转子与所述定子之间。

如前所述的，所述前端滑动轴承和所述后端滑动轴承均包括轴承内轴套和轴承外轴套，所述轴承内轴套与所述转子滑动连接，所述轴承外轴套与所述定子滑动连接。

如前所述的，所述轴承内轴套与所述转子滑动连接处设置有压紧O型圈；

所述轴承外轴套与所述定子滑动连接处设置有销钉。

如前所述的，所述轴承内轴套采用碳化硅陶瓷材料制成；

所述轴承外轴套采用醚醚酮材料制成。

如前所述的，所述旋片式叶轮采用开放式旋片叶轮，或者，

所述旋片式叶轮采用半封闭式旋片叶轮，或者，

所述旋片式叶轮采用封闭式旋片叶轮。

如前所述的，当所述旋片式叶轮为封闭式旋片叶轮时，所述旋片式叶轮还包括包覆在所述若干个叶片上端面上的上挡板和包覆在所述若干个叶片下端面上的下挡板。

如前所述的，所述若干个叶片均为L型结构；

所述若干个叶片流体通道均为L型结构，所述若干个叶片流体通道的L型结构的竖部为储液腔，所述若干个叶片流体通道的L型结构的横部为液体增压腔。

如前所述的，所述气路排出通道包括与所述气体排出孔连通的气路电磁阀和与所述气路电磁阀连通的气路出口，所述气路电磁阀安装在所述底板上，所述气路出口设置在所述底板上并通过安装在所述底板的第一三爪接头与所述气路电磁阀连接；

所述液路排出通道包括与所述液路排出孔连通的液路电磁阀和与所述液路电磁阀连通的液路出口，所述液路电磁阀安装在所述底板上，所述液路出口设置在所述底板上并通过安装在所述底板上的第二三爪接头与所述液路电磁阀连接；

所述气路电磁阀和所述液路电磁阀均为自锁阀。

如前所述的，还包括：

测温测压组件，所述测温测压组件包括安装在所述底板上的第一基座、安装在所述第一基座上的压力传感器和安装在所述第一基座上的温度传感器，所述压力传感器和温度传感器均设置在所述气液混合物入口与气液分离腔体相连接处。

借由上述技术方案，本发明的旋片式动态水气分离器至少具有下列优点：

1、本发明的旋片式动态水气分离器通过设置旋片式叶轮采用封闭式叶轮，使本发明通过减少流动损失和容积损失来降低功耗，并通过设置若干个叶片均为L型结构、将若干个叶片流体通道分为储液腔和液体增压腔，降低功耗的同时提高了液体输出压力；以及本发明通过设置前端滑动轴承和后端滑动轴承，提高了动态电机的使用寿命；本发明再通过设置所述轴套内设置有与所述第二流体通道的一端连通的轴套流体通道以及通过设置所述若干个叶片内均设置有分别与所述轴套流体通道和所述第二流体通道的另一端连通的叶片流体通道，设计了液体回流流道，解决前端滑动轴承和后端滑动轴承采用气液分离腔体内工质的润滑，解决了散热问题；

2、本发明的旋片式动态水气分离器实现了微重力条件下气液两相流的分离，解决了动态水气分离器的工程产品研制的技术难题，为空间站再生式环控生保系统奠定了水气两相流分离的单机技术基础和系统应用基础。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明旋片式动态水气分离器结构示意图一；

图2是本发明旋片式动态水气分离器结构示意图二；

图3是本发明轴承内轴套和轴承外轴套连接结构示意图；

图4是本发明轴承内轴套结构示意图；

图5是本发明轴承外轴套结构示意图；

图6是本发明动态电机与旋片式叶轮连接结构示意图；

图7是本发明旋片式叶轮结构示意图；

图8是本发明叶片流体通道结构示意图；

图9是本发明旋片式动态水气分离器的工作原理示意图；

图10是本发明高低档位工作曲线图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后，图6中箭头方向为前端滑动轴承和后端滑动轴承润滑流道方向。

如图1和图2所示，本发明的一个实施例提出的一种旋片式动态水气分离器，其包括：底板1、第一壳体2、气液混合物入口3、动态电机4、旋片式叶轮5、气路排出通道6、液路排出通道7和液位压差监测装置8。

如图1和图2所示，所述第一壳体2，其安装在所述底板1上并与所述底板1形成密封气液分离腔体，所述第一壳体2内设置有第一流体通道。所述气液混合物入口3，其与所述第一流体通道连通。

如图1至图6所示，所述动态电机4，其安装在所述第一壳体2上，所述动态电机4内设置有与所述第一流体通道连通的第二流体通道41，所述动态电机4包括第二壳体42、设置在所述第二壳体42内并具有转轴43的转子44、设置在所述第二壳体42内并与所述转子44前端滑动连接的前端滑动轴承45、设置在所述第二壳体42内并与所述转子44后端滑动连接的后端滑动轴承46、安装在所述第二壳体42内并分别与所述前端滑动轴承45和后端滑动轴承46滑动连接的定子47；所述第二流体通道41包括设置在所述第二壳体42内并与所述第一流体通道连通的第二壳体流体通道421和与所述第二壳体流体通道421连通并设置在所述转轴43内的转子流体通道431，所述第二壳体流体通道421位于所述转子44与所述定子47之间。在本发明中，前端滑动轴承45和后端滑动轴承46均包括轴承内轴套451和轴承外轴套452；所述轴承内轴套451与所述转子44滑动连接，所述轴承外轴套452与所述定子47滑动连接，所述轴承内轴套451与所述转子44滑动连接处设置有压紧O型圈48，当需要轴承内轴套451与转子44静止时，通过压紧O型圈48，靠O型圈48与轴承内轴套451端面的摩擦力使转子44和轴承内轴套451停止转动。所述轴承外轴套452与所述定子47滑动连接处设置有销钉49，当需要轴承外轴套452与定子47静止时，通过销钉49来使轴承外轴套452停止转动。在本发明中为了提高前端滑动轴承和后端滑动轴承的使用寿命从而提高动态电机的使用寿命，轴承内轴套451采用碳化硅陶瓷材料制成，轴承外轴套采用醚醚酮材料制成。

如图1、图6至图8所示，所述旋片式叶轮5，其设置在所述气液分离腔体内并与所述动态电机4连接，所述旋片式叶轮5包括安装在所述动态电机4上的轴套51和安装在所述轴套51上的若干个叶片52；所述轴套51内设置有与所述第二流体通道41的一端连通的轴套流体通道511，所述轴套51的底端设置有气体排出孔512；所述若干个叶片52内均设置有分别与所述轴套流体通道511和所述第二流体通道41的另一端连通的叶片流体通道521，若干个所述叶片流体通道521之间相互连通，若干个叶片52中的一个叶片上设置有与对应的所述叶片流体通道521相连通的液体排出孔522；所述轴套51通过键安装在所述转轴43上，轴向通过轴端螺母拧紧限位；所述转子流体通道431与所述轴套流体通道511连通；所述第二壳体流体通道421分别与若干个所述叶片流体通道521连通。具体工作时，气液混合物从气液混合物入口依次流入第一流体通道、第二壳体流体通道421、转子流体通道431、轴套流体通道511和若干个叶片流体通道521，动态电机4带动旋片式叶轮5旋转进行气液分离，一部分气液混合物中的液体从液体排出孔522排出，一部分气液混合物中的气体从气体排出孔512排出，另一部分的气液混合物由若干个叶片流体通道521流回到第二壳体流体通道421内再次进行气液分离，该技术方案实现了前端滑动轴承和后端滑动轴承采用气液分离腔体内工质润滑的同时，液体流动也带走了动态电机内部产生的热量，防止动态电机过热，影响动态电机的使用寿命。在本发明中，根据不同应用场景，本发明旋片式动态水气分离器工质分为三种：冷凝水、蒸馏水、CO2还原反应生成的水。在本发明中，旋片式叶轮5是所述旋片式动态水气分离器的核心部件，可分类为：开放式旋片叶轮、封闭式旋片叶轮、半封闭式旋片叶轮。在本发明中采用封闭式旋片叶轮，当所述旋片式叶轮5为封闭式旋片叶轮时，所述旋片式叶轮5还包括包覆在所述若干个叶片52上端面上的上挡板53和包覆在所述若干个叶片52下端面上的下挡板54。若干个叶片52的上下端面被上下挡板包覆，液体在该封闭空间中具有扰流较小特点，因此在相同叶片结构下，封闭式叶轮能提供更高的液体输出压力。液体输出压力和动态电机功耗是旋片式动态水气分离器重要的技术指标，液体输出压力与旋片式叶轮直径呈正比，动态电机功耗与旋片式叶轮直径的平方呈正比，工程应用中，希望在较小的动态电机功耗下得到更高的液体输出压力，因此在本发明中，若干个叶片在形状设计上采用L型结构叶片，若干个叶片流体通道521也均为L型结构，若干个叶片流体通道521的L型结构的竖部为储液腔5211，若干个叶片流体通道521的L型结构的横部为流体增压腔5212，储液腔5211离轴心位置近，可在较小的功耗下存储更多液体，流体增压腔5212直径大宽度小，可提供更高的液体输出压力。

如图2和图9所示，所述气路排出通道6，其与所述气体排出孔512连通；所述气路排出通道6包括与所述气体排出孔512连通的气路电磁阀61和与所述气路电磁阀61连通的气路出口62，所述气路电磁阀61安装在所述底板1上，所述气路出口62设置在所述底板1上并通过安装在所述底板1的第一三爪接头与所述气路电磁阀61连接。所述液路排出通道7，其安装在所述底板1上并与所述液体排出孔522连通；所述液路排出通道7包括与所述液路排出孔522连通的液路电磁阀71和与所述液路电磁阀71连通的液路出口72，所述液路电磁阀71安装在所述底板1上，所述液路出口72设置在所述底板1上并通过安装在所述底板1上的第二三爪接头与所述液路电磁阀71连接。在本发明中，液路出口可外接第一水箱，实现水资源在轨循环利用，所述液路出口还可以外接一液路切换阀，所述液路切换阀与第二水箱连接，当第一水箱储满液体时，可以切换到第二水箱接水储水。在本发明中，气路电磁阀61和液路电磁阀71均采用自锁阀。

如图10所示，在本发明中，动态电机工作及旋片式叶轮搅动液体均会产生热量，散热方式有两种：a.液体排放后带走热量；b.动态水气分离器外壳散热。在上游液体流量较小的情况先，旋片式动态水器分离需长时间工作才能到达排液压力点，此过程中电机温度不断升高，因此控制动态水气分离器的功耗，使储水过程发热量与散热量达到热平衡，是保证动态水器分离长时间工作的保证。在本发明中，所述动态水气分离器采用两档工作模式，动态电机在长时间储水过程中工作在低速档(转速1150rpm)，此时功耗较低，约为0～20W，当液位达到排液条件时，动态电机提升到高速挡以提高排液压力，同时打开液路电磁阀进行排液，高速挡转速2200rpm，功耗约130W。低速挡工作时间约为40min，高速挡工作时间约15s。本发明的旋片式动态水气分离器通过使用两档工作模式，减小了动态电机的能耗和延长产品寿命。

所述液位压差监测装置8，其安装在所述底板1上，所述液位压差监测装置8的高压端通道连接在气液分离腔体的最大直径处，所述液位压差监测装置8的低压端81通道连接在气液分离腔体最小直径处。在本发明旋片式动态水气分离器中，要想实现分离出的液体中含气量少，必须严格控制气液分离腔体内的液位高度，当液位高度超过某一数值后，必须开启液路电磁阀，将液体排出。当液位高度低于某一数值后，必须关闭液路电磁阀，防止液体中产生过多气泡。在本发明中，液位压差监测装置8采用压差传感器，本发明动态水气分离器通过压差传感器测量分离液相的压力，从而感知分离腔体内液位。

进一步的，如图1所示，所述旋片式动态水气分离器还包括：测温测压组件9，所述测温测压组件9包括安装在所述底板1上的第一基座、安装在所述第一基座上的压力传感器和安装在所述第一基座上的温度传感器，所述压力传感器和温度传感器均设置在所述气液混合物入口3与气液分离腔体相连接处。

本发明实施例的旋片式动态水气分离器通过设置旋片式叶轮采用封闭式叶轮，使本发明通过减少流动损失和容积损失来降低功耗，并通过设置若干个叶片均为L型结构、将若干个叶片流体通道分为储液腔和液体增压腔，降低功耗的同时提高了液体输出压力；以及本发明通过设置前端滑动轴承和后端滑动轴承，提高了动态电机的使用寿命；本发明再通过设置所述轴套内设置有与所述第二流体通道的一端连通的轴套流体通道以及通过设置所述若干个叶片内均设置有分别与所述轴套流体通道和所述第二流体通道的另一端连通的叶片流体通道，设计了液体回流流道，解决前端滑动轴承和后端滑动轴承采用气液分离腔体内工质的润滑，解决了散热问题；本发明实施例的旋片式动态水气分离器实现了微重力条件下气液两相流的分离，解决了动态水气分离器的工程产品研制的技术难题，为空间站再生式环控生保系统奠定了水气两相流分离的单机技术基础和系统应用基础。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种旋片式动态水气分离器，其特征在于：其包括:

底板；

第一壳体，其安装在所述底板上并与所述底板形成密封气液分离腔体，所述第一壳体内设置有第一流体通道；

气液混合物入口，其与所述第一流体通道连通；

动态电机，其安装在所述第一壳体上，所述动态电机内设置有与所述第一流体通道连通的第二流体通道；

旋片式叶轮，其设置在所述气液分离腔体内并与所述动态电机连接，所述旋片式叶轮包括安装在所述动态电机上的轴套和安装在所述轴套上的若干个叶片；所述轴套内设置有与所述第二流体通道的一端连通的轴套流体通道，所述轴套的底端设置有气体排出孔；所述若干个叶片内均设置有分别与所述轴套流体通道和所述第二流体通道的另一端连通的叶片流体通道，若干个所述叶片流体通道之间相互连通，若干个叶片中的一个叶片上设置有与对应的所述叶片流体通道相连通的液体排出孔；

气路排出通道，其与所述气体排出孔连通；

液路排出通道，其与所述液体排出孔连通；

液位压差监测装置，其安装在所述底板上，所述液位压差监测装置的高压端通道连接在气液分离腔体的最大直径处，所述液位压差监测装置的低压端通道连接在气液分离腔体最小直径处。

2.根据权利要求1所述的旋片式动态水气分离器，其特征在于，

所述动态电机包括第二壳体、设置在所述第二壳体内并具有转轴的转子、设置在所述第二壳体内并与所述转子前端滑动连接的前端滑动轴承、设置在所述第二壳体内并与所述转子后端滑动连接的后端滑动轴承、安装在所述第二壳体内并分别与所述前端滑动轴承和后端滑动轴承滑动连接的定子；所述轴套通过键安装在所述转轴上，轴向通过轴端螺母拧紧限位；

所述第二流体通道包括设置在所述第二壳体内并与所述第一流体通道连通的第二壳体流体通道和与所述第二壳体流体通道连通并设置在所述转轴内的转子流体通道；所述转子流体通道与所述轴套流体通道连通；所述第二壳体流体通道分别与若干个所述叶片流体通道连通，所述第二壳体流体通道位于所述转子与所述定子之间。

3.根据权利要2所述的旋片式动态水气分离器，其特征在于，

所述前端滑动轴承和所述后端滑动轴承均包括轴承内轴套和轴承外轴套，所述轴承内轴套与所述转子滑动连接，所述轴承外轴套与所述定子滑动连接。

4.根据权利要求3所述的旋片式动态水气分离器，其特征在于，

所述轴承内轴套与所述转子滑动连接处设置有压紧O型圈；

所述轴承外轴套与所述定子滑动连接处设置有销钉。

5.根据权利要求3所述的旋片式动态水气分离器，其特征在于，

所述轴承内轴套采用碳化硅陶瓷材料制成；

所述轴承外轴套采用醚醚酮材料制成。

6.根据权利要求2所述的旋片式动态水气分离器，其特征在于，

所述旋片式叶轮采用开放式旋片叶轮，或者，

所述旋片式叶轮采用半封闭式旋片叶轮，或者，

所述旋片式叶轮采用封闭式旋片叶轮。

7.根据权利要求6所述的旋片式动态水气分离器，其特征在于，

当所述旋片式叶轮为封闭式旋片叶轮时，所述旋片式叶轮还包括包覆在所述若干个叶片上端面上的上挡板和包覆在所述若干个叶片下端面上的下挡板。

8.根据权利要求7所述的旋片式动态水气分离器，其特征在于，

所述若干个叶片均为L型结构；

所述若干个叶片流体通道均为L型结构，所述若干个叶片流体通道的L型结构的竖部为储液腔，所述若干个叶片流体通道的L型结构的横部为液体增压腔。

9.根据权利要求1所述的旋片式动态水气分离器，其特征在于，

所述气路排出通道包括与所述气体排出孔连通的气路电磁阀和与所述气路电磁阀连通的气路出口，所述气路电磁阀安装在所述底板上，所述气路出口设置在所述底板上并通过安装在所述底板的第一三爪接头与所述气路电磁阀连接；

所述液路排出通道包括与所述液路排出孔连通的液路电磁阀和与所述液路电磁阀连通的液路出口，所述液路电磁阀安装在所述底板上，所述液路出口设置在所述底板上并通过安装在所述底板上的第二三爪接头与所述液路电磁阀连接；

所述气路电磁阀和所述液路电磁阀均为自锁阀。

10.根据权利要求1所述的旋片式动态水气分离器，其特征在于，还包括：

测温测压组件，所述测温测压组件包括安装在所述底板上的第一基座、安装在所述第一基座上的压力传感器和安装在所述第一基座上的温度传感器，所述压力传感器和温度传感器均设置在所述气液混合物入口与气液分离腔体相连接处。

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