CN118355196A - 用于维持稳定的蒸汽腔的多相转子、系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种多相转子包括盘体、将液体接收到转子中的入口，以及被配置成将液体从转子内腔排出的至少一个出口。通过液体吸入通道和转子内腔在入口和至少一个出口之间提供流动路径。该转子被配置成是绕旋转轴线可旋转的，并且当转子高于稳定的腔阈值旋转速度旋转时，在转子内腔中形成连续稳定的蒸汽腔。

Description

用于维持稳定的蒸汽腔的多相转子、系统和方法

技术领域

本发明涉及一种用于维持稳定的蒸汽腔的多相转子、系统和方法。更具体地但非排他地，本发明涉及一种用于移动液体或提供真空源的装置、系统和方法。

背景技术

涉及液体通过设备位移的设备通常被仔细地设计成在特定操作参数内操作，以限制与由于液体而引起的损坏行为有关的问题。例如，已知离心泵容易由于空化而损坏。

当压力下降到接近或低于液体的蒸汽压点时，发生空化，其中发生从液体到气体然后回到液体的状态变化(相变)。取决于其精确位置，它可能导致严重的机械损坏和/或不利地影响性能。通常，从液体到气体的变化倾向于不利地影响性能，并且从气体到液体的变化可能导致机械损坏。

特征性地，避免空化问题的限制要求设备的设计和操作是特定的。此外，这些设备通常具有窄范围的操作特性。例如，由于液体的空化倾向，传统的离心泵可给予液体的加速能量的量受到限制。当在任何点处所给予的累积张力加速度大于液体的分子间吸引力(即，其蒸汽压)以抵抗所施加的加速力时，这些泵停止有效和/或可持续的操作。

在本说明书中，在提及外部信息源的情况下，包括专利说明书和其它文献，这通常是为了提供用于讨论本发明特征的上下文。除非另有说明，否则对这样的信息源的引用不应解释为在任何权限下承认这样的信息源是现有技术或形成本领域公知常识的一部分。

为了本说明书，在方法步骤按顺序描述的情况下，除非没有解释该顺序的其它逻辑方式，否则该顺序不一定意味着步骤在该顺序中是按时间顺序排序的。

本发明的一个目的是提供一种用于维持稳定的蒸汽腔的装置、系统和方法，其克服或至少部分地改善上述缺点中的一些，或者至少为公众提供有用的选择。

发明内容

根据第一方面，本发明广泛地包括一种多相转子，该多相转子包括：

盘体，转子被配置成是绕旋转轴线可旋转的；

入口，该入口将液体接收到转子中；

从入口延伸的液体吸入通道；

围绕液体吸入通道径向延伸的转子内腔；以及

至少一个出口，其被配置成将液体从转子内腔排出；

其中通过液体吸入通道和转子内腔在入口和至少一个出口之间提供流动路径；并且

其中当转子高于稳定的腔阈值旋转速度旋转时，在转子内腔中形成连续稳定的蒸汽腔。

根据另一方面，入口包括入口限制部，该入口限制部被配置成当转子绕旋转轴线旋转时，限制入口处的入口液体团，从而在入口处形成液体密封。

根据另一方面，至少一个出口被定位成朝向转子内腔的最外区域或在转子内腔的最外区域处。

根据另一方面，至少一个出口包括出口限制部，该出口限制部被配置成当转子绕旋转轴线旋转时，保留朝向出口的出口液体团，从而在出口处形成液体密封。

根据另一方面，连续稳定的蒸汽腔形成在出口处的出口液体团和位于入口处的入口液体团之间并将它们分开。

根据另一方面，连续稳定蒸汽腔是压力小于外部环境压力的低压蒸汽腔。

根据另一方面，转子内腔围绕液体吸入通道形成环。

根据另一方面，稳定的腔阈值旋转速度大于最初发生空化的空化阶段阈值旋转速度。

根据另一方面，多相转子包括多个出口。

根据另一方面，液体密封允许液体通过至少一个出口流出。

根据另一方面，其中液体密封防止环境气体通过入口和/或至少一个出口排放到转子中。

根据另一方面，出口限制部是出口收缩部，其中出口包括面积减小的区域。

根据另一方面，至少一个出口的直径小于入口。

根据另一方面，出口的直径约为2mm至6mm。

根据另一方面，出口的直径约为4mm。

根据另一方面，出口限制部是位于至少一个出口处的液阱特征，以防止环境气体通过出口液体团排放到连续稳定的蒸汽腔中。

根据另一方面，液阱特征维持出口液体团，以在稳定的蒸汽腔和环境气体之间的出口处提供密封。

根据另一方面，液阱特征包括反向加速布线几何形状。

根据另一方面，液阱特征是S型阱。

根据另一方面，转子不包括叶片或桨叶。

根据另一方面，入口处的液体团流动能力是以下各项的函数：

a)连续稳定的蒸汽腔，

b)外部环境压力，以及

c)入口的尺寸。

根据另一方面，出口处的液体团流动能力是以下各项的函数：

a)连续稳定的蒸汽腔，

b)外部环境压力，

c)至少一个出口和/或出口限制部的尺寸，以及

d)转子的旋转速度。

根据另一方面，入口位于转子的底部。

根据另一方面，液体吸入通道从入口垂直向上延伸。

根据另一方面，液体吸入通道与旋转轴线同轴。

根据另一方面，液体吸入通道包括用于自吸的圆锥形状。

根据另一方面，转子内腔在垂直于旋转轴线的平面上。

根据另一方面，液体是水。

根据另一方面，本发明广泛地包括一种稳定的蒸汽腔形成系统，该系统包括：

如前述条款中任一项所述的多相转子；以及

液体源。

根据另一方面，液体源是液体的容器。

根据另一方面，该系统用于泵送液体。

根据另一方面，该系统还包括在转子内腔和转子的外部之间延伸的导管，以提供真空源。

根据另一方面，该系统还包括在转子内腔和转子的外部之间延伸的流出导管，以为离开转子内腔的液体提供流体流动路径。

根据另一方面，流出导管相对于旋转的多相转子是固定的。

根据另一方面，流出导管的一端提供通向转子内腔内的液体的通道，流出导管的另一端为转子提供出口。

根据另一方面，该系统还包括延伸到转子内腔中的吸入导管，以将液体从液体源引入到转子中。

根据另一方面，流入导管和/或流出导管相对于入口和/或转子的旋转轴线是非同轴的。

根据另一方面，流入导管和/或流出导管包括圆形、三角形或正方形轮廓。

根据另一方面，本发明广泛地包括一种用于维持稳定的蒸汽腔的方法，该方法包括：

提供如前述条款中任一项所述的多相转子；

将液体通过入口引入转子；以及

快速旋转转子。

根据另一方面，转子快速旋转以初始填充流体，使得转子自吸。

根据另一方面，该方法还包括高于稳定的腔阈值旋转速度快速旋转转子，以在转子内腔中形成稳定的蒸汽腔。

根据另一方面，该方法还包括预空化阶段、空化间阶段和后空化阶段，并且在后空化阶段形成并维持稳定的蒸汽腔。

根据另一方面，多相转子包括吸入系统和流出系统，该方法还包括快速旋转转子，使得流出系统包括比吸入系统更大的液体团流动能力，以在后空化阶段形成稳定的蒸汽腔。

根据另一方面，流出系统和吸入系统包括比在预空化阶段的流出系统更大的液体团流动能力。

根据另一方面，在后空化阶段，在平面图中，连续稳定的蒸汽腔形成在液体吸入通道周围，该连续稳定的蒸汽腔包括腔直径。

根据另一方面，腔直径随着旋转速度而增加，使得在高旋转速度下的腔直径大于在低旋转速度下的腔直径。

根据另一方面，转子在后空化阶段以任何旋转速度提供从至少一个出口喷射的恒定流速的液体。

根据另一方面，液体被从液体源引入转子。

本发明的其它方面可以从以下仅作为示例并参考附图给出的描述中变得显而易见。

如本文所用，术语“和/或”是指“和”或“或”，或两者。

如本文所用，名词后面的“(多个(s))”是指名词的复数和/或单数形式。

本说明书和权利要求书中使用的术语“包括(comprising)”是指“至少部分由…组成”。当解释本说明书和权利要求书中包括该术语的陈述时，在每个陈述中由该术语开头的特征都需要存在，但也可以存在其它特征。相关术语诸如“包括(comprise/comprised)”将以相同的方式解释。

附图说明

现在将仅通过示例并参考附图来描述本发明，其中：

图1示出了多相转子的横截面。

图2A示出了多相转子的透视图。

图2B示出了具有壳体的多相转子的透视图。

图2C示出了多相转子和壳体的横截面。

图2D示出了具有壳体的多相转子的横截面分解图。

图3示出了多相转子的侧视图。

图4A示出了多相转子的横截面侧视示意图。

图4B示出了多相转子出口的出口处的特写示意图。

图4C示出了多相转子入口的入口处的特写示意图。

图5A示出了空的多相转子的横截面平面示意图。

图5B示出了在预空化阶段填充有液体的多相转子的横截面平面示意图。

图5C示出了在后空化阶段形成稳定的蒸汽腔的多相转子的横截面平面示意图。

图5D示出了在后空化阶段在大于图5C的旋转速度下形成稳定的蒸汽腔的多相转子的横截面平面示意图。

图5E示出了具有液阱特征的多相转子的横截面侧视透视图。

图6A示出了在预空化阶段填充有液体的多相转子的侧视示意图。

图6B示出了在空化间阶段具有液体的多相转子的侧视示意图，在该阶段初始形成蒸汽腔。

图6C示出了在后空化阶段形成稳定的蒸汽腔的多相转子的侧视示意图。

图6D示出了在后空化阶段在比6C更高的旋转速度下形成稳定的蒸汽腔的多相转子的侧视示意图。

图6E示出了在后空化阶段在比6D更高的旋转速度下形成稳定的蒸汽腔的多相转子的侧视示意图。

图6F示出了在后空化阶段在比6D更高的旋转速度下形成稳定的蒸汽腔的多相转子的侧视示意图。

图7A示出了用于位移液体的稳定的蒸汽腔和密封形成系统的示意图。

图7B示出了在液体源和转子出口之间的相对高度差为9m的系统中使用的用于位移液体的多相转子的示意图。

图8示出了用于提供真空源的稳定的蒸汽腔和密封形成系统的示意图。

图9示出了比较独立多相转子和传统离心泵的操作的流速vs旋转速度的图。

图10示出了包括桨叶的多相转子的横截面平面示意图。

图11示出了包括流出导管的多相转子的示意图。

图12示出了包括流出导管和流入导管的多相转子的示意图。

图13A-D示出了相对于多相转子的入口的各种导管几何形状和位置的示意图。

具体实施方式

根据如图1-13D所示的本发明的各个方面，提供了一种用于维持稳定的蒸汽腔20的多相转子1、系统和方法，现在将对其进行描述。应当理解，这些附图示出了结构和构造的一般原理，并且本发明不限于所示的精确配置。

多相转子1优选具有预空化阶段、过渡的空化间阶段和后空化阶段，其旨在其中操作。

在预空化阶段(如图6A所示)，液体作为大量单一液体流过设备，无蒸汽填充的腔。预空化阶段发生在低旋转速度(即，低每分钟转数“RPM”)下。

当设备中的液体经受低于蒸汽压的压力时，通常(但不排他地)在较高旋转速度下发生空化。

在空化间阶段(如图6B所示)，初始波动的蒸汽腔形成(其还不稳定)。由于压力下降到接近或低于液体的蒸汽压点，当液体变成气体状态(沸腾)时蒸汽填充的腔形成。当压力充分增加时，气体变回液体状态(冷凝)，通常导致常规设备中的机械损坏。该液相/气相/液相改变是构成空化的基本循环。

在设备稳定操作的优选配置中，在后空化阶段(如图6C所示)，如现在详细描述的结构所提供的，在多相转子1内形成连续稳定的蒸汽腔20。

设备结构

如图1所示，本发明涉及一种多相转子1。多相转子1包括盘体2、将液体接收到转子1中的入口3以及用于排出液体的至少一个出口4。

在优选配置中，多相转子1包括多个出口4。应当理解，多个出口4可以允许液体平衡/稳定地流出转子1。

在优选配置中，在后空化阶段，当设备高于稳定的腔阈值旋转速度旋转时，在转子1的内腔6中形成连续稳定的蒸汽腔20。

如图4A所示，多相转子1包括从入口3延伸的液体吸入通道5。转子内腔6围绕液体吸入通道径向延伸。优选地，如图1和图5A-D最佳示出的，转子内腔6围绕液体吸入通道5形成环。

至少一个出口4被配置成将液体从转子内腔6排出。在一些配置中，被排出的液体是水。可以预期，其它液体可通过多相转子1传输，包括但不限于水。另外，应当理解，通过多相转子1被引入、传输和/或从多相转子1排出的液体包括具有夹带气的液体。例如，在多相转子1被用作真空源的应用中，液体优选具有夹带气。

为了驱动液体通过设备，多相转子1被配置成是绕旋转轴线可旋转的。当多相转子1旋转时，液体从入口3流到至少一个出口4。液体沿液体通路22流过图4A中示意性示出的稳定的蒸汽腔20。应当理解，液体通路22的具体路径由转子1的旋转和/或内部几何形状确定。

在一些配置中，至少一个出口4被定位成朝向转子内腔6的最外区域或在转子内腔6的最外区域处。由于旋转加速力，液体大致垂直于液体吸入通道5的入口流离开。

在其它配置中，至少一个出口4在设备和/或系统的另一区域中。

在一些配置中，至少一个出口4由导管62提供。优选地，出口4位于导管62的端部，使得允许来自转子1的液体离开(例如，如图11所示)。

在一些配置中，如图2B-D所示，多相转子1具有壳体12。壳体包括壳体出口13，用于在液体离开转子1时将液体引导出设备。从转子内腔6的至少一个出口4排出的液体被壳体12捕获并通过壳体出口13被引导出设备。应当注意，多相转子1是与壳体12分开的设备。

应当理解，本多相转子1的壳体12对于促进液体从入口3到至少一个出口4的位移不是必需的。壳体12收集并控制从转子的转子内腔6排出后的离开液体。

在一些配置中，诸如软管的附件可以连接到壳体出口13，以根据需要引导液体。

在其它配置中，液体自由地从至少一个出口4流出而不被壳体12捕获和引导。

当转子旋转时，多相转子1的内部几何形状移动流体通过设备。

当经由与容器的内表面接触而将旋转运动给予液体时，加速度和因此的能量被传输到转子1中的液体。

在一些配置中，转子1不包括叶片或桨叶。

相反，传统的离心泵在固定壳体内具有旋转叶轮。该壳体对于叶轮能够起作用是必要的，并且性能的特性是复杂的。叶轮和壳体之间、特别是叶轮和壳体中的吸入孔之间的这种相互关系是高度重要的领域，因为壳体内入口孔和出口孔之间的空化和连通的可能性是离心泵性能能力的典型限制因素。

使用离心泵作为比较，这仅仅是因为在这种液体内的旋转机构的应用中，空化的严重负面影响被广泛地认识到。

参见图10，在一些配置中，多相转子1包括转子1中的多个叶片或桨叶17，例如在转子内腔6内。在这些配置中，优选地，叶片或桨叶仍允许如上所述形成连续稳定的蒸汽腔20。叶片或桨叶17被固定到转子的盘体2上或相对于转子的盘体2固定，并因此与该盘体一起旋转。这些叶片或桨叶17可以将加速能量给予转子内的液体。

可以预期，该特征在期望附加能量的配置中可能是有用的，诸如在转子内存在固定结构的情况，该固定结构扰乱转子内腔6内的液体流(例如，中断在向外径向方向上的液体流动)。固定结构可以存在于多相转子的特定应用中，诸如多相转子1设置有固定导管以进入转子内腔6内的真空或液体的情况(如下文设备的应用2和应用3中所述)。

在不存在叶片或桨叶17并且液体中存在扰乱的其它配置中，多相转子1可以更快地快速旋转，以实现克服转子内的液体流的任何扰乱所需的旋转速度。

应当理解，多相转子1利用旋转环境中的无损相变的存在来提供所述功能。多相转子1使操作液体内的相变在旋转设备中是非常有建设性的，同时不会对机构产生不利影响。

应当理解，在优选配置中，多相转子1被设计成包括集成到设备主体中的简单的内部几何形状。可以预期，转子1内部缺少相互作用的部件和/或转子1的简单性提高了设备的寿命，并且减少了通常与空化损坏相关联的潜在磨损。

通过结构的液体流动路径

液体被多相转子1从入口3驱动到至少一个出口4，通过液体吸入通道5和转子内腔6。通过液体吸入通道5和转子内腔6在入口3和至少一个出口4之间提供流动路径。

为了驱动液体通过设备，多相转子1被配置成是绕旋转轴线可旋转的。当多相转子1旋转时，液体从入口3流到至少一个出口4。

为了驱动多相转子1，优选地，转子联接到驱动轴14和马达(未示出)。马达连接到轴14，以施加旋转扭矩来旋转多相转子1。

在优选配置中，入口3位于转子1的底部。如图7A和7B的示意图所示，液体可以从液体源50通过入口3被引入。在一些配置中，入口3浸没在大量水或其它液体源中(例如图7A所示的示例)。在其它配置中，导管51将液体从大量水供应到入口3(如图7B所示的示例)。

在一些配置中，液体源是液体的容器。

优选地，如图4A所示，液体吸入通道5从入口3垂直向上延伸。

优选地，液体吸入通道与旋转轴线同轴。

在优选配置中，如图4A所示，转子内腔6在垂直于旋转轴线的平面上。当多相转子1旋转时，转子内腔6中的液体被离心力(旋转引起的加速力)从多相转子1的中心区域朝向径向向外位于多相转子1的周边处的至少一个出口4驱动。

出口液体密封

在一些配置中，至少一个出口4优选包括出口限制部7。在这些配置中，如图4B的特写示意图中最佳示出的，出口限制部7优选位于或朝向出口4的周边。出口限制部7是配置成将至少一个出口4处的出口液体团60维持在大于其蒸汽压的压力下以防止空化发生的特征。

出口限制部7通过在至少一个出口4中形成出口液体密封而将出口液体团60保留在盘体2中朝向出口限制部7。由于出口限制部7，稳定的腔与周围环境的流体连通受到限制，即形成密封。当多相转子1绕旋转轴线旋转时，在外部周围环境(1ATM)和内部蒸汽压压力腔之间形成出口液体密封。

在一些优选配置中，出口限制部7防止外部环境气体通过出口液体团60(与液体流动方向相反)排放到稳定的蒸汽腔20中。

应当理解，在操作期间，由于出口限制部7而维持的出口液体团60允许液体经由至少一个出口4流出，同时密封并防止环境气体经由出口排放到设备中。出口液体团60是在至少一个出口4处的液体密封，其允许流体流出，但防止环境气体流入转子内腔6中和破坏稳定的蒸汽腔20。

在一些配置中，出口限制部7是出口收缩部，其中出口包括面积减小的区域，其允许大量流体(当操作时)保留并密封出口使其与周围环境隔离。优选地，出口构造7是在至少一个出口处的尺寸减小的区域(即，横截面面积减小)，以促进液体密封的形成。

在一些配置中，出口限制部7的直径小于入口3。

在一些配置中，出口限制部7的直径约为2mm至6mm。

在一个配置中，出口限制部7的直径约为4mm。

在一些优选配置中，入口3的直径约为3mm至8mm。

入口液体密封

在优选配置中，如至少图4A所示，入口3优选包括由入口液体团61维持在或朝向入口3的液体密封。优选地，如图4C的特写示意图中最佳示出的，入口限制部8位于或朝向入口3的周边。入口限制部8是配置成将入口3处的入口液体团61维持在大于其蒸汽压的压力下以防止不稳定的空化发生的特征。

入口限制部8限制液体流动以形成入口液体密封，如入口3处的入口液体团61所提供的，并且促进填充蒸汽腔20的蒸汽的形成。

应当理解，入口3处的入口液体密封允许液体通过入口。

在一些配置中，入口液体密封61是围绕结构件诸如可通过入口3的导管形成的(例如如至少图7B、图8、图11和图12所示)。

多相转子1中液体密封的存在允许液体通过入口3和/或出口4，同时密封并防止环境气体经由入口或出口排入设备。应当理解，在这些配置中，液体密封可以为转子提供有效密封，并且可以优于机械密封，主要是由于它们的简单性和稳固性，并且消除了磨损和维护。

在多相转子1搁置在大量水(即，液体源)上的一些配置中，在入口3处或朝向入口3形成液体密封的液体团被连续地更换。液体源中液体的存在允许形成液体密封的液体连续交换，这反过来又保持系统稳定。

在一些优选配置中，入口限制部8防止外部环境气体通过入口液体团61排放到转子1中。在一些配置中，入口限制部8是入口收缩部，其中入口包括面积减小的区域，其允许大量流体(当操作时)以液体形式保留并密封入口使其与周围环境隔离。优选地，入口收缩部8是入口3处的尺寸减小的区域(即，横截面面积减小)，以促进入口液体密封的形成。

在一个配置中，入口3的直径约为3mm。

在另一个配置中，入口3的直径约为6mm。

在优选配置中，多相转子1在稳定的腔阈值旋转速度下或高于稳定的腔阈值旋转速度操作，因此建立并维持稳定的蒸汽腔20。流出系统(图7，“系统2”)的流动能力比入口系统(图7，“系统1”)的流动能力更大使得流入的液体充当蒸汽腔20和外部环境压力之间的物理密封界面8(将在下面更详细地描述)。应当理解，液体密封机构可以促进进出多相转子1两者的连通。

稳定的蒸汽腔

如在示意图5C、5D中最佳示出的，当多相转子1高于阈值旋转速度旋转时，在转子内腔6中形成连续稳定的蒸汽腔20。

连续稳定的蒸汽腔20是压力小于外部环境压力的低压蒸汽腔。低压蒸汽腔由给定液体的蒸汽压压力下的饱和蒸汽组成。例如：

-20摄氏度的水将产生约2340Pa的腔压力，其是20摄氏度的水的蒸汽压。

-20摄氏度的煤油将产生约700Pa的腔压力，其是20摄氏度的煤油的蒸汽压。

优选地，如图6C-F所示，连续稳定的蒸汽腔20形成在至少一个出口4处的出口液体团60和位于入口3处的入口液体团61之间并将它们分开。

在优选配置中，如图7A所示，在多相转子1内存在两个液体流动系统。系统1是“吸入系统”，系统2是“流出系统”。系统1和系统2之间的相互关系确定多相转子1的空化状态。

如果系统1(吸入)具有比系统2(流出)更大的液体团流动能力，则多相转子将处于“预空化”阶段。优选地，不发生相变(图6A)。

如果系统2(流出)具有比系统1(吸入)更大的液体团流动能力，则多相转子1将处于空化间阶段(图6B)或后空化阶段(图6C-6F)。空化间阶段是动态且不稳定的。当达到“空化阶段阈值旋转速度”(即，最初发生空化的阈值RPM)时，空化间阶段开始发生。在操作的空化间阶段，空化持续地发生，其中液体变成气体状态，然后回到液体，这是经典的空化。

随着进一步增加RPM，实现了“稳定的腔阈值旋转速度”(转子旋转的阈值旋转速度形成并维持连续稳定的蒸汽腔)。后空化阶段是优选的操作状态，其中稳定的蒸汽腔20已经形成并保持稳定。这种稳定状态在“稳定的腔阈值旋转速度”下发生并持续超过“稳定的腔阈值旋转速度”。在该操作区中，优选地，相变仅限于空化循环的“液体到气体”(蒸汽)组成部分。

在优选配置中，在稳定的腔阈值旋转速度下/高于稳定的腔阈值旋转速度形成连续稳定的蒸汽腔20。稳定的腔阈值旋转速度是系统2(流出系统)产生比系统1(吸入系统)的液体团流动能力更大的液体团流动能力并且另外克服了环境压力对抗系统2阻碍液体团流出的影响的RPM(旋转速度)。

优选地，在稳定的腔阈值旋转速度下/高于稳定的腔阈值旋转速度提供稳定性，在该稳定性下/之后建立稳定的蒸汽腔20，并且可以将其维持在出口液体团60和入口液体团61之间。

优选地，稳定的腔阈值旋转速度大于最初发生空化的空化阶段阈值旋转速度。

应当理解，在后空化阶段，当转子继续快速旋转时，即使在较高的旋转速度下，稳定的蒸汽腔20也维持在转子内腔6内。这与诸如传统离心泵的结构形成对比，传统离心泵不能实现高旋转速度，因为不稳定的蒸汽腔(空化)发生，从而损害性能和/或损坏设备。

例如，在液体为20摄氏度的水的多相转子1中，观察到的操作的“空化阶段阈值旋转速度”可以约为5600RPM，并且观察到的操作的“稳定的腔阈值旋转速度”可以约为6500RPM。

在优选配置中，系统1的液体团流动能力(入口处)是以下各项的函数：

a)多相转子1转子内腔6/蒸汽腔20内的压力，

b)外部环境压力(辅助/引起流动)，以及

c)入口孔3的尺寸。

在优选配置中，系统2的液体团流动能力(出口处)是以下各项的函数：

a)多相转子1转子内腔6/蒸汽腔20内的压力，

b)外部环境压力(反向流动)

c)出口孔4/出口限制部7的尺寸，以及

d)旋转速度(RPM)。

在多相转子1的优选配置中，当转子在稳定的腔阈值旋转速度下/高于稳定的腔阈值旋转速度旋转时，部件的物理关系建立稳定的蒸汽腔20。优选地，向出口液体团60施加压缩(推动)力。由于存在分开出口处的出口液体团60和入口处的入口液体团61的物理蒸汽体，加速力推动流出的液体团60通过至少一个出口4和出口限制部7，从而防止形成不稳定的有害空化。

密封

应当理解，在优选配置中，稳定的蒸汽腔20处于比外部环境压力低得多的压力下。优选地，蒸汽腔20在两侧被密封(即，在上游/入口3和下游/出口4处)。

在优选配置中，至少一个出口4的出口限制部7被限制得足以在出口限制部7的外侧上提供大于蒸汽压液体的足够的液体深度以促进稳定的蒸汽腔20和外部周围(1ATM)环境之间的稳定的液体密封。

应当理解，分开出口液体团60和入口液体团61的稳定的蒸汽腔20的存在以及稳定的液体密封允许旋转加速度施加产生对流出的液体团60的压缩或“推动”力的力，导致消除有害的空化，因为液体压力因此维持在大于蒸汽压的压力。

液阱特征

在一些优选配置中，多相转子1具有液阱出口限制部9，参见图5D。液阱特征9是至少一个出口4的经修改的几何形状，并且是先前描述的出口限制部的替代类型。

液阱特征9是出口限制部，被配置成当多相转子1绕旋转轴线旋转时，通过在至少一个出口中形成液体密封来将出口液体团60保留在盘体2中。

优选地，该出口限制部阱特征9防止外部环境气体通过出口液体团60(与液体流动方向相反)排放到稳定的蒸汽腔20中。液阱特征9防止空气(环境气体)通过出口4返回，这将导致腔压力从蒸汽压增加到环境压力。这种情况可能破坏“真空”(蒸汽压)，即，破坏稳定的蒸汽腔20。

优选地，液阱特征9捕集出口液体团60并密封转子1中的低压使其与出口4处的外部环境压力隔离。

优选地，出口限制部液阱特征9维持出口液体团，以在出口处在稳定的蒸汽腔20和环境气体之间提供密封。

优选地，液阱特征9从径向的角度来看是相对于流动方向的反向加速布线几何形状。

在优选配置中，如图1和5D和5E所示，液阱特征9是S型阱布置。在这些配置中的液阱特征9包括基本上径向对齐的支腿10、11。当多相转子1旋转时，转子腔6内的液体被径向向外推离旋转轴线，进入液阱特征9的第一支腿10中。液阱特征9的经修改的几何形状使通过第二支腿11的液体流动方向朝向旋转轴线径向向内重定向。

在这些配置中，面向内的第二支腿11经历与出口液体团60的流动方向相反的基本上基于RPM的比例加速度，并因此充当基于力的液体流限制器，即，出口限制部7。这种限制使得旋转加速度施加产生对两个支腿10、11中的流出的液体团60的压缩或“推动”力的力，使得流出的液体压力因此维持在大于液阱特征9处的蒸汽压。

液阱的第二支腿11的对齐和第二支腿上的加速力是防止外部环境气体进入并将流出液体维持在大于蒸汽压的压力下的机制。在这些优选配置中，液阱特征9维持连续蒸汽腔20并防止有害空化。

优选地，如图5D所示，在第二支腿11下游设置离开支管15，用于液体的流出。应当理解，离开支腿15在维持稳定的蒸汽腔20方面不是关键的，只要它不影响液阱特征9的流动特性。离开支腿15的目的是提供流出转子1的流动通路。

应当理解，在这些优选配置中，液阱特征9通过防止稳定的蒸汽腔20的排放和随后的塌陷而允许转子1在比没有该特征的设备更高的旋转速度下旋转。

优选地，液阱特征9包括到周边的离开路径，该离开路径的横截面面积基本上较大，第一支腿10和第二支腿11对周围环境开放，用于液体流出。

在一个配置中，液阱特征9在图5E中以“池和堰”布置示出。

应当理解，在多相转子1的出口液体团60流动路线中的至少一个液体出口4处，由出口限制部7提供的流动限制有助于建立和维持稳定的蒸汽腔20。对流动的限制可以经由物理收缩部7(例如图4b所示)或经由基于力的液阱特征9(例如图5D所示)。这两个特征都是限制流出的出口限制部，并且被配置成将至少一个出口4处的出口液体团60维持在大于其蒸汽压的压力下。出口限制部7促进蒸汽腔的形成并有助于维持连续稳定的蒸汽腔20。

应当理解，液阱特征9提供了特别是在较高RPM下的稳健解决方案。因此，应当理解，可以得出许多几何布置，以促进液体流动路径朝向旋转轴线径向向内(基本上或部分地减小半径几何/方向分量等)传输逆流加速力，从而提供液阱特征9功能。

设备的操作

图5A至5D以平面示意图示出了多相转子1的阶段。

如图5A所示，多相转子1是空的，没有液体。

如图5B所示，以转子1充满液体并且入口3浸入大量液体中开始。

当多相转子1旋转时，转子内腔6中的液体从设备的中心径向向外朝向至少一个出口4行进。相对于入口3处的外部压力，这在转子内腔的中心区域周围和在液体吸入通道5中产生相对低的压力。入口3的外面/上游的外部压力推动液体进入低压吸入通道区5，并进一步进入转子内腔6。优选地，转子1快速旋转以初始填充流体，使得转子自吸。

在一些配置中，液体吸入通道5(如图2D所示)包括用于自吸的圆锥形状。这些配置中的液体通道5可以将液体从液体源50抽入通道中。吸入通道5周围结构上的内壁的略微扩大的锥部(在流动方向上)允许多相转子1的稳固自吸。

因此，当转子1围绕其轴线旋转时，液体从入口3移动到至少一个出口4。转子最初在预空化阶段操作，在预空化阶段，液体作为大量单一液体流过设备，无蒸汽填充的腔。

如图5C所示，转子正在后空化阶段操作。当转子继续以高于稳定的腔阈值旋转速度的较高旋转速度旋转时，在转子内腔6中形成稳定的蒸汽腔20，该稳定的蒸汽腔20具有腔直径21。

当转子内腔6中的液体团上的加速度引起液体流出需求时，形成蒸汽腔20，该液体流出需求大于由入口可供应的液体上的外部1ATM压力提供的加速度。

一旦形成稳定的蒸汽腔20，在优选配置中，它在大范围的旋转速度内是稳定的。

可以预期，阈值旋转速度，“空化阶段阈值”和“稳定的腔阈值”都可以有很大的变化。

除了外部环境条件和设备特性之外，确定实际阈值RPM的变量包括以下变量：

a)系统1入口孔尺寸，

b)系统2至少一个出口孔尺寸，

c)液体蒸汽压，其物理特性和其实际温度两者。

如图5D所示，转子继续在后空化阶段在比图5C所示更高的旋转速度下操作。腔直径21随着旋转速度而增加，使得在较高旋转速度下的腔直径(图5D)大于在较低旋转速度下的腔直径(图5C)。预期在甚至更高的旋转速度下；稳定的蒸汽腔扩大到液阱特征9的第一支腿中。

在这些高旋转速度下，液阱特征9在用一圈液体密封转子内腔6使其与下游外部环境隔离时维持稳定的蒸汽腔，以防止至少一个出口4处的环境压力进入并因此损害稳定的蒸汽腔20。

在一些优选配置中，多相转子1可以在后空化阶段在高RPM下操作。设备的建模表明，35,000RPM的转子速度容易实现，没有指示性的功能损失。在功能装置上已经证明了高达20,000RPM的稳定操作。除了功率、机械和材料限制的现实之外，理论预期没有提供明显的RPM阈值。

系统/设备的使用

多相转子1具有产生和维持蒸汽压蒸汽腔20的能力。在如前所述的框架和条件内，这种稳定的低压腔20提供各种功能机会，包括基于压力的应用。

此外，在优选配置中，液体团60、61在多相转子1和外部环境之间提供压力密封界面，即，经由液体本身实现密封。这一方面可具有其它积极含义，例如：当在多相转子的功能能力的框架内利用敏感/有害液体时，维持分开和/或隔离。在优选配置中，需要与液体紧密接触的衬套/轴承和密封不是必要的。由于液体密封不是物理/机械项目，因此它不会经受损坏/磨损/化学攻击，这通常是传统物理压力/隔离密封的情况。

现在将描述多相转子1的一些应用。应当理解，多相转子1可用于本文未描述的其它应用中。

应用1：液体位移设备

由于先前描述的机制，多相转子1位移液体(即，流过其中的液体)，以提供密封和连续稳定的蒸汽腔。在多相转子1的一个应用中，可以利用通过多相转子1的液体流。

例如，在一些配置中，多相转子1可以具有“包裹”的壳体12。壳体12简单地充当流出多相转子1的液体的收集设备。向多相转子1添加可选的壳体“附件”12允许有目的地收集并控制流出液体。

在后空化阶段，优选地，液体进入多相转子的流速与转子的旋转速度无关。进入多相转子1的流速是以下各项的函数：液体的蒸汽压、大气压、入口直径和多相转子与液体源的相对高度。

在优选配置中，多相转子1的操作特性使得大气压抵抗重力将液体推入多相转子1的蒸汽腔20中。转子的潜在高度相关性直接与液体在其给定温度下的蒸汽压的当量压头有关。例如，参考图7B，20摄氏度的水具有约2.3kPa的蒸汽压，该相当于能够将水通过导管51推动到约10.09m潜在差异的高度处的多相转子的大气压(海平面处)。在该高度相对性(10.09m)下，将没有流动，然而，如果(例如)存在9m的相对高度差和(例如)20mm直径的入口孔，则存在以下情形：

-液体吸入提升高度9m

o吸入潜在压力2.3kPa

-流过20mm直径

o约1.43l/s

-该输出流因此可经由增加RPM而逐渐加速，不影响由多相转子1产生的/在多相转子1中产生的稳定的操作条件。

在优选配置中，如图9的曲线图中所示，多相转子1在后空化阶段以任何旋转速度提供从至少一个出口4喷射的恒定流出速率的液体(等于入口液体团流量)，并且因此可以增加RPM，以向流出液体添加能量，无不利的后果。相比之下，标准离心泵不能实现高旋转速度，因为不稳定的蒸汽腔(空化)会损害(如果不破坏)性能和损坏设备。图9示出了正常的离心泵－叶轮和壳体，在约6000RPM下停止泵送液体，同时多相转子1继续到15000RPM，模拟结束，而流动性能无变化。

在这些配置中，如果需要，多相转子1可以喷射高速液体。这反过来又可以转换成不同应用中所需的压力、推力或其它形式的能量。

优选地，出口限制部7和/或阱9特征在流出的出口液体团60内维持大于蒸汽压的状态。多相转子1因此能够在液体经过多相转子1时以压缩或“推动”方式向液体施加加速能量。该流出液体的“速度”在流出液体离开转子1的点处具有等于或大于多相转子1的旋转速度(m/s)的潜在速度(m/s)分量。因此，增加的加速能量的施加可以被液体“吸收”。

应用2：真空源

在一些配置中，包括多相转子1的系统被用作真空源。该系统通过促进外部进入维持在后空化阶段的多相转子1内的稳定的低压区(蒸汽腔20)来提供真空源。在这些配置中，多相转子1经由移动液体提供“真空”源，同时利用液体的物理特性提供密封和“真空”。

此外，存在于旋转的多相转子1提供的旋转环境内的稳定的低压腔20(在操作液体的蒸汽压下)建立了内部隔离环境，同时处于由环境条件界定的液体流动路径/回路中，其中可以促进和利用包括空化在内的有目的且生产性无害的液体/气体相变。

在这些配置中，如图8所示，系统具有在转子内腔6和外部容器/腔室55之间延伸的导管51。导管51提供通向转子内腔6中的稳定的低压蒸汽腔20的通道。

稳定的蒸汽压蒸汽腔20是低压环境，这是液体转变成蒸汽的结果。由于前述过程和机制，低压环境或蒸汽压蒸汽腔20是在转子内腔6内的“真空”。

应当理解，由于特定液体的蒸汽压特性，不同的液体可用于促进稳定的蒸汽腔20内的不同真空水平。

这种真空产生方法直接和间接地具有显著的应用。以下列出的项目仅是举例，并不代表可能性或应用的详尽列表。还应当注意，尽管在以下情况中引用水作为操作液体，但也可以利用其它液体。

一些直接应用包括：

a)启动虹吸流动系统以从虹吸管的“顶点”移除进入系统中的气体，

b)该系统促进液体和气体在低压下流动而没有机械或系统损害，这对于诸如VMD(真空膜蒸馏)的应用是有用的，

c)排空会攻击典型真空泵润滑剂/油的气体。利用水的可行性－例如，作为连续且可更换的真空介质。

应用3：液体通过导管的流出

在另一配置中，例如如图11和12的示意图所示多相转子1，可以利用通过转子的液体流并且根据需要将其引导出来。在这些配置中，稳定的蒸汽腔形成系统还包括流出导管62，以为来自转子内腔6内的液体提供液体通路，并有目的地引导流出液体。流出导管62提供通向转子内腔6内的液体的通道，该液体被引导出来以根据需要使用。优选地，流出导管62相对于旋转的多相转子1是固定的。

优选地，流出导管62的一端位于或朝向转子内腔6的周边。流出导管62与在转子内腔6的外部区域处(由于转子旋转时的离心力)收集的液体流体连通。优选地，流出导管62的另一端位于转子盘体2的外部(为转子提供出口)。

优选地，在这些配置中，多相转子1提供经由流出导管62流出的有用的高速液体。可选地，该高速可以根据不同应用中的需要转换为高压。

由于液体在通过多相转子1时的压缩或“推动”方式，在转子本体的周边处或朝向转子本体的周边收集在转子内腔6中的液体具有加速能量。

应当理解，在这些应用中，在转子内腔6中存在固定导管的情况下，如图10所示的桨叶或叶片可有利地更有效地如上所述将能量给予液体。

稳定的蒸汽腔20的形成允许在后空化相的高旋转速度，并且因此可以增加RPM，以向在转子内腔6的周边处收集的液体添加能量，无利的后果。该系统工作以提供液体的连续高速/高压流出，其中出口能力超过入口传输。

此外，这与标准的/传统的离心泵形成对比，该离心泵不能实现高旋转速度，因为不稳定的蒸汽腔(空化)会损害(如果不破坏)性能和潜在地损坏设备。

应当理解，在这些配置中不需要涡旋部或壳体来捕获通电液体。

在一些配置中，如图12的示意图所示，多相转子1还包括吸入导管63。吸入导管63延伸到转子内腔6中。吸入导管63优选将液体从液体源50引入到转子内腔6中。液体源50'可以是与转子1可位于其上的大量液体分开的附加液体源。应当理解，在这些配置中，提供吸入导管可以提供优点，诸如提供单独的流动路径，并且当提供液体源时允许灵活性。

在一些配置中，多相转子1包括皮托泵的一些特征或原理，诸如其中存在皮托管(如上所述的一种流出导管62)。如图12的示意图所示，在一些配置中，设备可以具有第一腔室71，其中多相转子1的标准操作如上所述发生。在一些配置中，设备还包括第二腔室72，该第二腔室提供皮托泵的特征。

优选地，第一腔室71是设备的一部分，其充当多相转子以形成如上所述的稳定的蒸汽腔20，并产生第二腔室72充当皮托泵的操作环境。在这种环境中，流体从流体源50'被抽吸并进入第二(皮托)腔室72。液体经由皮托管/流出导管62排出，皮托管/流出导管62在转子的腔室71、72旋转时保持固定。

如图13-D所示，可以利用流出导管62相对于入口3的各种几何形状和位置，同时在入口3处维持液体密封。

可选地，如图13C和13D所示，流入导管63和/或流出导管62相对于入口3和/或转子1的旋转轴线是非同轴的。

在一些配置中，流入导管63和/或流出导管62是圆形的(图13A和13D所示的示例)。在其它配置中，可以使用其它几何形状，例如正方形、三角形等(图13B和13C)。

对于本发明所涉及领域的技术人员来说，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可以对本发明的构造以及广泛不同的实施方案和应用进行许多改变。

本发明还可以被广泛地描述为包括在本申请的说明书中单独地或共同地提及或指示的零件、元件和特征，以及所述零件、元件或特征中的任何两个或更多个的任何或所有组合，并且其中本文提及了具体的整数，这些具体的整数在本发明所涉及的领域中具有已知的等同物，这些已知的等同物被认为并入本文，就像单独阐述一样。

Claims (47)

1.一种多相转子，所述多相转子包括：

盘体，所述转子被配置成是绕旋转轴线可旋转的；

入口，所述入口将液体接收到所述转子中；

从所述入口延伸的液体吸入通道；

围绕所述液体吸入通道径向延伸的转子内腔；以及

至少一个出口，其被配置成将所述液体从所述转子内腔排出；

其中通过所述液体吸入通道和转子内腔在所述入口和所述至少一个出口之间提供流动路径；并且

其中当所述转子高于稳定的腔阈值旋转速度旋转时，在所述转子内腔中形成连续稳定的蒸汽腔。

2.如前述权利要求所述的多相转子，其中所述入口包括入口限制部，所述入口限制部被配置成当所述转子绕所述旋转轴线旋转时，限制所述入口处的入口液体团，从而在所述入口处形成液体密封。

3.如前述权利要求中任一项所述的多相转子，其中所述至少一个出口包括出口限制部，所述出口限制部被配置成当所述转子绕所述旋转轴线旋转时，保留朝向所述出口的出口液体团，从而在所述出口处形成液体密封。

4.如前述权利要求所述的多相转子，其中所述连续稳定的蒸汽腔形成在所述出口处的所述出口液体团和位于所述入口处的入口液体团之间并将它们分开。

5.如前述权利要求中任一项所述的多相转子，其中所述连续稳定的蒸汽腔是压力小于外部环境压力的低压蒸汽腔。

6.如前述权利要求中任一项所述的多相转子，其中所述转子内腔围绕所述液体吸入通道形成环。

7.如前述权利要求中任一项所述的多相转子，其中所述稳定的腔阈值旋转速度大于最初发生空化的空化阶段阈值旋转速度。

8.如前述权利要求中任一项所述的多相转子，其中所述多相转子包括多个出口。

9.如权利要求2至8中任一项所述的多相转子，其中所述液体密封允许液体通过所述至少一个出口流出。

10.如权利要求2至9中任一项所述的多相转子，其中所述液体密封防止环境气体通过所述入口和/或所述至少一个出口排放到所述转子中。

11.如前述权利要求中任一项所述的多相转子，其中所述出口限制部是出口收缩部，其中所述出口包括面积减小的区域。

12.如前述权利要求中任一项所述的多相转子，其中所述至少一个出口的直径小于所述入口。

13.如前述权利要求中任一项所述的多相转子，其中所述出口的直径约为2mm至6mm。

14.如前述权利要求所述的多相转子，其中所述出口的直径约为4mm。

15.如权利要求2至14中任一项所述的多相转子，其中所述出口限制部是位于所述至少一个出口处的液阱特征，以防止环境气体通过所述出口液体团排放到所述连续稳定的蒸汽腔中。

16.如前述权利要求所述的多相转子，其中所述液阱特征维持所述出口液体团，以在所述稳定的蒸汽腔和环境气体之间的所述出口处提供密封。

17.如前述权利要求所述的多相转子，其中所述液阱特征包括反向加速布线几何形状。

18.如前述权利要求所述的多相转子，其中所述液阱特征是S型阱。

19.如前述权利要求中任一项所述的多相转子，其中所述转子不包括叶片或桨叶。

20.如前述权利要求中任一项所述的多相转子，其中所述入口处的液体团流动能力是以下各项的函数：

a)所述连续稳定的蒸汽腔，

b)外部环境压力，以及

c)所述入口的尺寸。

21.如前述权利要求中任一项所述的多相转子，其中所述出口处的液体团流动能力是以下各项的函数：

a)所述连续稳定的蒸汽腔，

b)外部环境压力，

c)所述至少一个出口和/或出口限制部的尺寸，以及

d)所述转子的旋转速度。

22.如前述权利要求中任一项所述的多相转子，其中所述入口位于所述转子的底部。

23.如前述权利要求中任一项所述的多相转子，其中所述液体吸入通道从所述入口垂直向上延伸。

24.如前述权利要求中任一项所述的多相转子，其中所述液体吸入通道与所述旋转轴线同轴。

25.如前述权利要求中任一项所述的多相转子，其中所述液体吸入通道包括用于自吸的圆锥形状。

26.如前述权利要求中任一项所述的多相转子，其中所述转子内腔在垂直于所述旋转轴线的平面上。

27.如前述权利要求中任一项所述的多相转子，其中所述液体是水。

28.一种稳定的蒸汽腔形成系统，所述系统包括：

如前述权利要求中任一项所述的多相转子；以及

液体源。

29.如前述权利要求所述的稳定的蒸汽腔形成系统，其中所述液体源是液体的容器。

30.如权利要求28或29中任一项所述的稳定的蒸汽腔形成系统，其中所述系统用于泵送液体。

31.如权利要求28至30中任一项所述的稳定的蒸汽腔形成系统，所述系统还包括在所述转子内腔和所述转子的外部之间延伸的导管，以提供真空源。

32.如权利要求28至31中任一项所述的稳定的蒸汽腔形成系统，所述系统还包括在所述转子内腔和所述转子的外部之间延伸的流出导管，以为离开所述转子内腔的液体提供流体流动路径。

33.如前述权利要求所述的稳定的蒸汽腔形成系统，其中所述流出导管相对于所述旋转的多相转子是固定的。

34.如前述权利要求所述的稳定的蒸汽腔形成系统，其中所述流出导管的一端提供通向所述转子内腔内的所述液体的通道，所述流出导管的另一端提供为所述转子提供出口。

35.如权利要求28至34中任一项所述的稳定的蒸汽腔形成系统，所述系统还包括延伸到所述转子内腔中的吸入导管，以将液体从液体源引入到所述转子中。

36.如前述权利要求所述的稳定的蒸汽腔形成系统，其中所述流入导管和/或流出导管相对于所述入口和/或所述转子的所述旋转轴线是非同轴的。

37.如权利要求35或36中任一项所述的稳定的蒸汽腔形成系统，其中所述流入导管和/或流出导管包括圆形、三角形或正方形轮廓。

38.一种用于维持稳定的蒸汽腔的方法，所述方法包括：

提供如权利要求1至25中任一项所述的多相转子；

将液体通过所述入口引入所述转子；以及

快速旋转所述转子。

39.如前述权利要求所述的方法，其中所述转子快速旋转以初始填充流体，使得所述转子自吸。

40.如权利要求38或39中任一项所述的方法，所述方法还包括高于稳定的腔阈值旋转速度快速旋转所述转子，以在所述转子内腔中形成所述稳定的蒸汽腔。

41.根据权利要求39至40中任一项所述的方法，所述方法还包括预空化阶段、空化间阶段和后空化阶段，并且在所述后空化阶段形成并维持所述稳定的蒸汽腔。

42.如前述权利要求所述的方法，其中所述多相转子包括吸入系统和流出系统，所述方法还包括快速旋转所述转子，使得所述流出系统包括比所述吸入系统更大的液体团流动能力，以在所述后空化阶段形成所述稳定的蒸汽腔。

43.如权利要求38至42中任一项所述的方法，其中所述流出系统和所述吸入系统包括比在所述预空化阶段的所述流出系统更大的液体团流动能力。

44.如权利要求30至32中任一项所述的方法，其中在所述后空化阶段，在平面图中，所述连续稳定的蒸汽腔形成在所述液体吸入通道周围，所述连续稳定的蒸汽腔包括腔直径。

45.如前述权利要求所述的方法，其中所述腔直径随着旋转速度而增加，使得在高旋转速度下的所述腔直径大于在低旋转速度下的腔直径。

46.如权利要求30至34中任一项所述的方法，其中所述转子在所述后空化阶段以任何旋转速度提供从所述至少一个出口喷射的恒定流速的液体。

47.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述液体被从液体源引入所述转子。