Ротор и перемешивающее устройство
Изобретение относится к ротору, который может быть использован в перемешивающем устройстве. Кроме того, изобретение относится к перемешивающему устройству, которое может быть использовано во многих операциях, включая операцию перемешивания однофазной или многофазной текучей среды. Ротор содержит комплект лопастей ротора, имеющих сложную форму, сечение замкнутого контура которых образует стандартный аэродинамический профиль с четырехзначным обозначением согласно классификации NACA. Указанный ротор может быть вставлен в перемешивающее устройство, которое также содержит статор, на внутренней поверхности которого расположены лопасти статора, имеющие сложную форму, сечение замкнутого контура которых образует стандартный аэродинамический профиль с четырехзначным обозначением согласно классификации NACA. Обеспечивается возможность получения эффективного и рационального перемешивания однофазных и многофазных текучих сред и гарантируется высокая степень перемешивания и однородности. 4 н. и 18 з.п. ф-лы, 7 ил., 2 табл.
Настоящее изобретение относится к ротору, который может быть использован в перемешивающем устройстве. Кроме того, настоящее изобретение относится к перемешивающему устройству, которое может быть использовано во многих операциях, включая операцию перемешивания однофазной или многофазной текучей среды.
В данной заявке на патент все рабочие режимы, включенные в текст, должны рассматриваться как предпочтительные режимы, даже если это не указано конкретно.
Для целей данного текста термин «содержать» или «включать в себя» также охватывает значение термина «состоять из» или «по существу состоящий из».
Для целей данного текста границы интервалов всегда включают крайние значения, если не указано иное.
В данной заявке на патент многофазная текучая среда означает текучую среду, содержащую, по меньшей мере, две фазы и предпочтительно три фазы. Многофазная текучая среда представляет собой, например, текучую среду, которая содержит жидкость и газовую фазу или жидкость и твердую фазу или содержит жидкость, газ и твердую фазу.
В области перемешивания текучих сред имеется множество технических решений, разработанных в соответствии с характеристиками текучих сред, подвергаемых обработке, и с целями перемешивания.
Что касается низковязких текучих сред с вязкостью, составляющей, как правило, от 0,1 до 10 сП, например, водных растворов и/или легких углеводородов, функционирующих при турбулентном режиме (Re > 10000), то по существу три типа лопастных мешалок традиционно использовались до середины двадцатого столетия: турбинные мешалки с вертикальными лопастями, турбинные мешалки с наклонными лопастями и лопастные мешалки типа гребного винта. Лопастные мешалки данного типа создают соответственно радиальный, смешанный или аксиальный поток. Их обычно устанавливали в вертикальных цилиндрических резервуарах, оснащенных 3 или 4 вертикальными перегородками, которые проходят в радиальном направлении от боковой стенки наружного корпуса внутрь. Что касается описания характеристик, относящихся к базовой конфигурации и поглощаемой энергии, то целесообразно сослаться на работу, выполненную J.H. Rushton ʺPower Characteristics of Mixing Impellers, Part II, J.H. Rushton, E.W. Costich, and H.J. Everett, Chem. Eng. Prog., Vol 46, No.9, (1950), pp. 467-476ʺ, в которой описана турбинная мешалка с вертикальными лопастями, обычно называемая «турбинной мешалкой Раштона».
Начиная с 1980 г., был разработан ряд лопастных мешалок также для текучих сред, имеющих вязкость от 0,1 до 10 сП, которые известны как «гидродинамические лопастные мешалки», которые создают преимущественно аксиальный поток и которые обычно изготавливаются посредством использования процессов штамповки, гибки и закручивания листового металла в отличие от ковки/плавки, какие обычно используются для лопастных мешалок типа гребного винта. Кроме того, возможность сборки лопастей, полученных таким образом, на ступице и, следовательно, на вале посредством использования болтового соединения или шпоночного соединения обеспечивает возможность их легкого ввода в резервуары через соответствующие люки также в случае больших лопастных мешалок, что представляет собой ограничение для лопастных мешалок типа гребного винта, которые обычно изготовлены из одного компонента. Указанные лопастные мешалки широко используются в промышленности для перемешивания однофазных или многофазных текучих сред, для суспендирования твердых частиц и диспергирования газов. Основная используемая идея заключалась в применении аэродинамических профилей для лопастей путем изменения угла наклона и кривизны в соответствии с локальным радиусом лопастной мешалки, то есть локальной тангенциальной скоростью.
Одним из первых патентов, предназначенных для раскрытия «гидродинамических» лопастных мешалок, является патент США № 4468130, на основе которого компания Lightnin в настоящее время производит промышленную лопастную мешалку А310. Варианты «гидродинамических» лопастных мешалок были предложены в патентах США № 5052892, 5297938, 5595475, 5297938 и публикации WO 2010/059572.
Были разработаны варианты «гидродинамических» лопастных мешалок с более широкими лопастями, как правило, используемые в присутствии текучих сред с вязкостью, составляющей от 100 до 1000 сП, или в присутствии газов, такие как описанные в патентах США № 4896971, 5762417 и 5326226.
Для эффективного диспергирования газа в жидкости были разработаны некоторые модифицированные варианты турбинной мешалки Раштона, в которых применяются вогнутые лопасти вместо вертикальных лопастей. Первая турбинная мешалка, принадлежащая к указанной категории, представляет собой турбинную мешалку, известную как турбинная мешалка Smith, оснащенная полукруглыми лопастями. Позднее были запатентованы некоторые варианты указанной турбинной мешалки, подобные описанным в патентах США № 4779990; 5198156; EP 0880993; 5904423; 199321; WO 2009/082676, в которых лопасти отличаются тем, что они являются вогнутыми и все в большей степени выполнены с полукруглыми, параболическими, асимметричными и наклонными формами. Основной инновационной и предпочтительной характеристикой всех данных вариантов по отношению к турбинной мешалке Раштона является то, что они обеспечивают возможность эффективного диспергирования введенного газа и поддержания высокой мощности, подводимой в систему, также при высоких скоростях подаваемого потока газа.
Лопастные мешалки, используемые для низковязких текучих сред, способны обеспечить рациональное и эффективное перемешивание текучих сред при турбулентном режиме, но отличаются тем, что распределение турбулентности, градиенты скорости и механические напряжения, создаваемые в текучей среде, не являются однородными. Более точно, они характеризуются тем, что они имеют зону с высоким уровнем турбулентности вблизи вращающейся лопастной мешалки и одну или более зон относительного покоя вдали от вращающейся лопастной мешалки. Для большинства текучих сред это обычно не является проблемой, и в действительности подобные системы перемешивания широко используются в промышленности. Однако перемешивающая способность подобных систем резко уменьшается в случае их применения для систем с высокой вязкостью, или имеющей место в широком пространстве, или локализованной. Для текучих сред с вязкостью свыше 100 сП, функционирующих при переходном режиме (в диапазоне значений Re от 10 до 10000), были разработаны лопастные мешалки с приложением осевого усилия к текучей среде в двух направлениях, которые представляют собой модификацию существующих турбинных мешалок с наклонными лопастями или гидродинамических лопастных мешалок за счет добавления выступающей части с обратным наклоном к наружному концу лопасти. Указанные лопастные мешалки, как правило, имеют бóльшие диаметры по отношению к ранее упомянутым лопастным мешалкам, даже несмотря на то, что они не доходят до стенки резервуара. К данному типу принадлежат лопастные мешалки, описанные в патентах США № 6796707 и 4090696, которые обе монтируются с традиционными вертикальными перегородками.
В патенте США № 3709664 раскрыта ротационная мешалка, имеющая вращающийся вал, к которому комплекты ровных и плоских лопастей, которые выступают в радиальном направлении наружу, присоединены на одинаковых расстояниях друг от друга и вдоль оси вращения, с разным углом наклона относительно оси вращения. Описанные лопасти не имеют точек реверса. К внутренней поверхности наружного корпуса прикреплен комплект неподвижных, ровных и плоских контрлопастей, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, которые проходят в радиальном направлении от внутренней поверхности наружного корпуса по направлению к оси вращения. Указанные комплекты контрлопастей наклонены относительно оси вращения и размещены так, чтобы они были расположены между комплектами лопастей. Контрлопасти не имеют точек реверса. Основное ограничение данного технического решения состоит в том, что такое устройство не способно обеспечить эффективного перемешивания, поскольку оно не может создать существенное нагнетание в аксиальном направлении. Следовательно, ограничения подобного технического решения в особенности проявляются в случае перемешивания многофазных текучих сред, например, смеси воды и тяжелых твердых частиц.
В патенте США № 4136972 описано смесительное устройство, которое включает в себя статор, вращающийся вал, первую и вторую группы лопастей и контрлопастей с прямоугольным сечением. Каждая лопасть прикреплена к вращающемуся валу и проходит в радиальном направлении по направлению к стенкам контейнера; каждая контрлопасть прикреплена к стенкам контейнера и проходит в радиальном направлении по направлению к вращающемуся валу. Лопасти и контрлопасти расположены попеременно между друг другом. Каждая лопасть и контрлопасть состоит из двух смежных компонентов, наклоненных друг относительно друга в их средней точке. Наклон двух смежных компонентов обеспечивает возможность достижения нагнетания в аксиальном направлении вверх рядом с валом и вниз рядом со стенкой наружного корпуса, однако наклон лопастей с постоянным углом и положение точки реверса приводят к ограничениям в отношении эффективности самого устройства.
В патенте США № 4650343 раскрыт способ перемешивания или обезвоживания материала в виде твердых частиц посредством использования мешалки, которая имеет следующие характеристики. Мешалка содержит контейнер и ось вращения, совпадающую с осью контейнера. Имеется множество лопастей, прикрепленных к вращающемуся валу, которые проходят в радиальном направлении наружу. Данные лопасти могут создавать направленное вниз, осевое усилие внутри и направленное вверх, осевое усилие снаружи или наоборот. Лопасти имеют двойной шаг, обеспечивающий возможность изменения направления осевого усилия на противоположное для заданного направления вращения. Лопасти имеют наклон под постоянным углом. Именно такой наклон и положение точки реверса определяют границы эффективности самого устройства.
Для текучих сред с высокой вязкостью, составляющей, как правило, свыше 10000 сП, функционирующих при ламинарном потоке (Re < 10), были разработаны лопастные мешалки с диаметром, близким к диаметру резервуара, в котором они установлены. К данной категории принадлежат якорные мешалки, винтовые мешалки и мешалки ленточного типа, имеющие одну или несколько спиральных лопастей.
Данные лопастные мешалки могут обеспечить эффективное и рациональное перемешивание текучих сред при ламинарном потоке. Они отличаются тем, что градиенты скорости и механические напряжения являются довольно однородными. Однако скорости, сообщаемые текучей среде, обычно являются очень малыми, и турбулентность не может быть создана. Это может свести на нет способность к суспендированию имеющихся твердых частиц и может привести к уменьшению способности к диспергированию любого газа. Кроме того, перемешивающая способность подобных систем резко уменьшается в случае их применения для систем с низкой вязкостью, или имеющей место в широком пространстве, или локализованной.
Для текучих сред, имеющих чрезвычайно высокую вязкость, составляющую, как правило, свыше 100000 сП, характерную для расплавленных полимеров и смесей, в промышленности обычно используются экструдеры или смесители различных типов, например, такие как описанные в патентах США № 5147135; 5823674; 5121992; 5934801; 4889431; 4824257; 183253; 4826324; 4650338; 4775243 и тому подобных. Они представляют собой по существу горизонтальные машины, снабженные одним или более вращающимися валами, снабженные шнеком или множеством лопастей и контрлопастей различных форм, которые обеспечивают локальное перемешивание подаваемой текучей среды. Поток в машине является по существу однонаправленным и коаксиальным с валом.
В предшествующем уровне техники неизвестны системы перемешивания, в которых используются технологии, разработанные и широко применяемые для турбомашин, таких как компрессоры, турбины и насосы. Подобные машины оснащены множеством роторов и статоров, при этом как статоры, так и роторы предусмотрены с группой лопастей, имеющих переменные гидродинамические профили, которые обеспечивают возможность преобразования механической энергии, которая подается машиной, в энергию давления (в компрессорах и насос) или наоборот (в турбинах).
Имеются текучие среды, реологические характеристики которых зависят от поля движения, воздействию которого они подвергаются. В частности, у некоторых текучих сред вязкость является низкой, если текучая среда подвергается воздействию больших изменений скорости, и является высокой, если текучая среда является неподвижной (неньютоновские/аномально-вязкие текучие среды). Аналогичное поведение можно заметить у текучих сред, в которых присутствуют твердые частицы, особенно в том случае, если они являются липкими, что может привести к образованию комков или гелеобразованию, в результате чего имеет место локальное изменение транспортных свойств. Кроме того, в том случае, если диспергированная фаза (жидкость, газ или твердые частицы) подвергается коалесценции и разрушению, уровень турбулентности, градиенты скорости и механические напряжения играют важнейшую роль в распределении размеров частиц диспергированной фазы.
Для всех данных типов текучих сред локальное уменьшение степени перемешивания (например, в зонах покоя с малым потоком) может привести к локальному повышению вязкости и, следовательно, к переходу к ламинарному режиму; по этим причинам лопастные мешалки, разработанные для турбулентного потока, являются не очень эффективными. С другой стороны, если текучая среда перемешивается достаточно равномерно, вязкость является низкой; по этим причинам лопастные мешалки, разработанные для ламинарного потока, являются не очень эффективными. В завершение, даже лопастные мешалки с двумя направлениями осевого усилия, разработанные для промежуточных потоков, являются недостаточно эффективными, и системы, снабженные множеством роторов и горизонтальных перегородок, являются не очень эффективными.
Заявитель предлагает новый ротор, который может быть использован в перемешивающем устройстве, обеспечивающем возможность преодоления всех критических ограничений уровня техники, причем обеспечивается возможность получения эффективного и рационального перемешивания однофазных и многофазных текучих сред и гарантируется высокая степень перемешивания и однородности.
Следовательно, настоящее изобретение относится к ротору, который включает в себя вращающийся вал, комплект лопастей ротора, имеющих сложную форму и расположенных вдоль всей длины или части длины вращающегося вала, при этом указанные лопасти проходят параллельно плоскости, ортогональной к оси вращения, при этом указанный комплект лопастей ротора, имеющих сложную форму, содержит, по меньшей мере, один ярус лопастей ротора, имеющих сложную форму; каждый ярус содержит, по меньшей мере, две лопасти ротора, имеющие сложную форму и расположенные с равными промежутками вокруг указанного вращающегося вала; указанные лопасти ротора, имеющие сложную форму, соединены с вращающимся валом посредством одного из их концов; при этом указанные лопасти ротора, имеющие сложную форму, отличаются тем, что:
а) лопасть ротора, имеющая сложную форму, содержит, по меньшей мере, одну точку (6) реверса осевого усилия, приложенного к текучей среде, при этом указанная точка реверса разделяет указанную лопасть ротора, имеющую сложную форму, на, по меньшей мере, два элемента (4 и 5), которые проходят в радиальном направлении друг относительно друга, так, что каждый элемент имеет направление осевого усилия, противоположное по отношению к направлению осевого усилия, создаваемого другим элементом;
b) сечение замкнутого контура каждого элемента образует стандартный аэродинамический профиль с четырехзначным обозначением согласно классификации Национального консультативного комитета по аэронавтике (NACA) (США), показанный в виде Знака 1, Знака 2, Знака 3 и Знака 4, в котором:
i. параметры m, p и t изменяются в радиальном направлении вдоль направления протяженности лопасти ротора, имеющей сложную форму;
ii. длина с хорды, которая соединяет переднюю кромку с задней кромкой указанного профиля, изменяется в радиальном направлении вдоль направления протяженности лопасти ротора, имеющей сложную форму;
iii. хорда имеет угол α наклона относительно плоскости, ортогональной к оси вращения, который изменяется в радиальном направлении вдоль направления протяженности лопасти ротора, имеющей сложную форму.
Настоящее изобретение также относится к перемешивающему устройству, которое содержит:
- ротор, описанный и заявленный в данном документе, имеющий улучшенные характеристики, который имеет функцию перемешивания однофазной или многофазной среды за счет сообщения ей движения, и
- статор, который содержит наружный корпус и комплект лопастей статора, имеющих сложную форму, расположенных на всей или на части внутренней боковой поверхности указанного корпуса; при этом указанный комплект лопастей статора, имеющих сложную форму, содержит, по меньшей мере, один ярус лопастей статора, имеющих сложную форму, каждый ярус содержит, по меньшей мере, две лопасти статора, имеющие сложную форму и расположенные с равными промежутками в угловом направлении, лопасти статора, имеющие сложную форму, прикреплены к внутренней боковой поверхности указанного наружного корпуса посредством одного из их концов, при этом указанный статор имеет функцию преобразования движения, генерируемого ротором, в преимущественно аксиальный поток.
В данном тексте сечение замкнутого контура означает сечение в соответствии с поверхностями прямого цилиндра с образующей, которая параллельна оси вращения, и круговой направляющей, которая является концентрической относительно самóй оси вращения.
В настоящей заявке на патент ось вращения совпадает с осью вращения вала.
Ротор в соответствии с настоящей заявкой на патент является особенно предпочтительным в применениях, которые включают однофазные или многофазные текучие среды с вязкостью, превышающей 0,1 сП, предпочтительно составляющей от 0,1 сП до 1000 сП, и, в частности, в применениях, которые включают неньютоновские/аномально-вязкие текучие среды.
Для перемешивающих устройств, известных в уровне техники как разработанные для турбулентного режима, настоящее изобретение гарантирует заметную однородную турбулентность в широком пространстве, градиенты скорости и механические напряжения, обеспечивающие уменьшение локальных пиков и минимизацию зон покоя.
Для перемешивающих устройств по предшествующему уровню техники, разработанных для ламинарного режима, система в соответствии с изобретением может обеспечить придание несомненно более высокой скорости и турбулентности текучей среде.
Для вращающихся перемешивающих устройств по уровню техники, разработанных для переходного режима, настоящее изобретение обеспечивает более высокую производительность и эффективность за счет способности к перемешиванию и гомогенизации.
Для турбомашин, широко используемых в промышленности (например, таких как компрессоры, турбины и аксиальные насосы), настоящее изобретение используется не для перемещения текучих сред или получения механической энергии из энергии давления, содержащейся в них, а для приложения усилия, имеющего множество направлений, а не однонаправленного усилия, к текучей среде, что способствует циркуляции и локальному перемешиванию текучей среды и ускоряет циркуляцию и локальное перемешивание текучей среды, при которых механическая энергия используется для обеспечения перемешивания.
Дополнительные задачи и преимущества настоящего изобретения станут более ясными из нижеприведенного описания и приложенных чертежей, приведенных только в качестве неограничивающей иллюстрации.
Фиг.1 иллюстрирует конкретный вариант осуществления перемешивающего устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 иллюстрирует конкретный вариант осуществления ротора в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.3 иллюстрирует конкретный вариант осуществления лопасти ротора, имеющей сложную форму, в соответствии с настоящим изобретением, при этом можно видеть два элемента (4) и (5), разделенные точкой (6) реверса. На фиг.3 точки (8), (9), (10) и (11) представляют собой некоторые из сечений замкнутого контура каждого элемента (4 и 5) лопасти (3) ротора, имеющей сложную форму, как можно лучше понять при чтении текста.
Фиг.4 иллюстрирует один вариант осуществления лопасти статора, имеющей сложную форму, в соответствии с настоящим изобретением, при этом можно видеть два элемента (20) и (26), разделенные точкой (19) реверса. На фиг.4 точки (27), (30), (17) и (18) представляют собой некоторые из сечений замкнутого контура каждого элемента (20 и 26) лопасти (16) статора, имеющей сложную форму, как можно лучше понять при чтении текста.
Фиг.5 показывает некоторые возможные варианты осуществления стандартного аэродинамического профиля с четырехзначным обозначением согласно классификации NACA, образованные сечениями замкнутого контура лопасти ротора, имеющей сложную форму, или лопасти статора, имеющей сложную форму, при этом указанный аэродинамический профиль выполнен с криволинейным профилем, обозначенным ссылочной позицией (21), с непрерывным сегментированным профилем, обозначенным ссылочной позицией (24), и с непрерывным профилем, содержащим комбинацию криволинейных участков и отрезков, обозначенным ссылочной позицией (23), при этом β представляет собой угол, образованный следующими друг за другом отрезками.
Фиг.6 иллюстрирует аэродинамический профиль NACA, в котором показаны хорда, средняя линия и половина толщины.
Фиг.7 иллюстрирует зазор между лопастями ротора, имеющими сложную форму, и лопастями статора, имеющими сложную форму.
Подробное описание
Делается ссылка на фиг.1-7 для описания настоящего изобретения. Фиг.2 иллюстрирует ротор (1), который включает в себя вращающийся вал (2), комплект лопастей (3) ротора, имеющих сложную форму и расположенных вдоль всей длины или части длины вращающегося вала, при этом указанные лопасти проходят параллельно плоскости, ортогональной к вращающемуся валу, при этом указанный комплект лопастей ротора, имеющих сложную форму, содержит, по меньшей мере, один ярус (28) лопастей ротора, имеющих сложную форму; каждый ярус (28) лопастей (3) ротора, имеющих сложную форму, содержит, по меньшей мере, две лопасти ротора, имеющие сложную форму и расположенные с равными промежутками вокруг указанного вала; указанные лопасти ротора, имеющие сложную форму, соединены с вращающимся валом посредством одного из их концов; при этом указанные лопасти ротора, имеющие сложную форму, отличаются тем, что:
а) лопасть ротора, имеющая сложную форму, содержит, по меньшей мере, одну точку ((6) на фиг.3) реверса осевого усилия, приложенного к текучей среде, при этом указанная точка реверса разделяет указанную лопасть ротора, имеющую сложную форму, на, по меньшей мере, два элемента ((4) и (5)), которые проходят в радиальном направлении друг относительно друга, так, что каждый элемент имеет направление осевого усилия, противоположное по отношению к направлению осевого усилия, создаваемого другим элементом;
b) сечение замкнутого контура каждого элемента образует стандартный аэродинамический профиль с четырехзначным обозначением согласно классификации NACA, показанный в виде Знака 1, Знака 2, Знака 3 и Знака 4, в котором:
i. параметры m, p и t изменяются в радиальном направлении вдоль направления протяженности лопасти ротора, имеющей сложную форму;
ii. длина с хорды, которая соединяет переднюю кромку с задней кромкой указанного профиля, изменяется в радиальном направлении вдоль направления протяженности лопасти ротора, имеющей сложную форму;
iii. хорда имеет угол α наклона относительно плоскости, ортогональной к оси вращения, который изменяется в радиальном направлении вдоль направления протяженности лопасти ротора, имеющей сложную форму.
Далее сделана ссылка на фиг.6 для подробного описания стандартного аэродинамического профиля с четырехзначным обозначением согласно классификации NACA в соответствии с настоящим изобретением.
Стандартный аэродинамический профиль с четырехзначным обозначением согласно классификации NACA, обозначенный в виде Знака 1, Знака 2, Знака 3 и Знака 4, который лучше описан ниже, определяется средней линией yc(x) и половиной yt(x) толщины (определяемой перпендикулярно к средней линии), которые зависят от положения x вдоль хорды. Переменные x, yc и yt выражены в виде доли длины хорды, следовательно, они являются безразмерными; в частности, x варьируется между 0 и 1.
Средняя линия и половина толщины определены посредством данных уравнений:
Верхний и нижний профили аэродинамического профиля NACA, проиллюстрированного на фиг.6, заданы соответствующими координатами (xU, yU) и (xL, yL), которые выражены в виде доли длины хорды и, следовательно, являются безразмерными; указанные координаты заданы следующим образом:
xU=x - yt sinθ, yU=yc+yt cosθ
xL=x+yt sinθ, yL=yc - yt cosθ
при
Параметры и обозначения используемого аэродинамического профиля NACA таковы:
- m, максимальная кривизна профиля, максимальное значение кривизны yc(x) (безразмерная величина, доля длины хорды);
- p, положение точки с максимальной кривизной вдоль хорды (безразмерная величина, доля длины хорды);
- t, максимальная толщина (безразмерная величина, доля длины хорды);
- α, угол наклона хорды относительно горизонтали.
Знаки/цифры, которые появляются в четырехзначном коде NACA, как правило, используемом в области аэронавтики, связаны с параметрами, которые определяют аэродинамический профиль:
Знак 1: параметр m, выраженный в сотых долях;
Знак 2: параметр p, выраженный в десятых долях;
Знаки 3 и 4: параметр t, выраженный в сотых долях.
Подчеркивается, что размеры (xU, yU, xL, yL, m, p, t), используемые для задания стандартного аэродинамического профиля с четырехзначным обозначением согласно классификации NACA, задаваемого таким образом, выражены в виде доли длины хорды и, следовательно, являются безразмерными. Ниже длина хорды обозначена с и задана как доля диаметра D ротора, следовательно, с представляет собой безразмерную величину.
В описании аэродинамического профиля, приведенном выше, предполагается, что хорда является горизонтальной.
Для варианта осуществления аэродинамический профиль повернут так, чтобы хорда была наклонена под углом α относительно горизонтали, как показано на фиг.3 и 4. Ниже угол α всегда является положительным и относится к углам, показанным на фиг.3 и 4.
Фиг.1 иллюстрирует перемешивающее устройство с лопастями ротора, имеющими сложную форму, и лопастями статора, имеющими сложную форму, которые имеют улучшенные геометрические профили.
Указанное перемешивающее устройство (14) содержит:
- ротор (1), описанный и заявленный в данном документе, имеющий улучшенные характеристики, который имеет функцию перемешивания однофазной или многофазной текучей среды за счет сообщения ей движения, и
- статор (15), который содержит наружный корпус (25) и комплект лопастей (16) статора, имеющих сложную форму, расположенных на всей или на части внутренней боковой поверхности указанного корпуса; при этом указанный комплект лопастей статора, имеющих сложную форму, содержит, по меньшей мере, один ярус лопастей статора, имеющих сложную форму, каждый ярус (29) лопастей (16) статора, имеющих сложную форму, содержит, по меньшей мере, две лопасти (16) статора, имеющие сложную форму и расположенные с равными промежутками в угловом направлении, при этом лопасти статора, имеющие сложную форму, прикреплены к внутренней боковой поверхности указанного наружного корпуса (25) посредством одного из их концов, при этом указанный статор имеет функцию преобразования движения, генерируемого ротором, в преимущественно аксиальный поток.
Далее делается ссылка на фиг.3 для описания геометрии лопасти ротора, имеющей сложную форму.
Лопасти ротора, имеющие сложную форму, отличаются тем, что они имеют следующие характеристики:
- лопасть ротора, имеющая сложную форму, включает в себя, по меньшей мере, одну точку (6) реверса, которая разделяет лопасть ротора, имеющую сложную форму, на, по меньшей мере, два элемента (4) и (5) таким образом, что каждый элемент имеет направление осевого усилия, противоположное по отношению к направлению осевого усилия, создаваемого другим элементом;
- второй элемент (5) проходит в радиальном направлении, начиная от первого элемента (4);
- сечение замкнутого контура каждого элемента образует стандартный аэродинамический профиль с четырехзначным обозначением согласно классификации NACA, показанный в виде Знака 1, Знака 2, Знака 3 и Знака 4, подобных описанным в тексте, в котором:
i. параметры m, p и t изменяются в радиальном направлении вдоль направления протяженности лопасти ротора, имеющей сложную форму, и, в частности, параметр m варьируется между 0,001 и 0,25, p варьируется между 0,01 и 0,85, t варьируется между 0,015 и 0,75;
ii. длина с хорды, которая соединяет переднюю кромку с задней кромкой указанного профиля, изменяется в радиальном направлении вдоль направления протяженности лопасти ротора, имеющей сложную форму, в частности, длина с хорды варьируется между 0,02 и 0,25 от диаметра D ротора (определяемого как удвоенное значение R, где R представляет собой расстояние между наружным концом лопасти (3) ротора, имеющей сложную форму, и осью вращения (22 на фиг.1, 2 и 7));
iii. хорда имеет угол α наклона относительно плоскости, ортогональной к оси вращения, который изменяется в радиальном направлении вдоль направления протяженности лопасти ротора, имеющей сложную форму, в частности, угол α наклона хорды относительно плоскости, ортогональной к оси вращения, варьируется между 15° и 75°.
В частности, как показано на фиг.3, идентифицированы четыре сечения замкнутого контура лопасти ротора, имеющей сложную форму, каждое из которых образует специфический аэродинамический профиль: сечение (8), соответствующее месту соединения с вращающимся валом (2), сечение (9), соответствующее месту соединения первого элемента (4) с точкой (6) реверса, сечение (10), соответствующее месту соединения второго элемента (5) с точкой (6) реверса, и сечение (11), соответствующее наружному концу лопасти ротора, имеющей сложную форму.
Для таких конкретных сечений параметры m, p, t, c и α стандартного аэродинамического профиля с четырехзначным обозначением согласно классификации NACA могут предпочтительно принимать значения в интервалах, указанных ниже.
Для сечения (8) замкнутого контура, соответствующего месту соединения с вращающимся валом (2), m находится в диапазоне от 0,001 до 0,15, предпочтительно от 0,001 до 0,091, p находится в диапазоне от 0,01 до 0,85, предпочтительно от 0,01 до 0,5, t находится в диапазоне от 0,02 до 0,75, предпочтительно от 0,35 до 0,45, с находится в диапазоне от 0,02 до 0,15, предпочтительно от 0,069 до 0,074, α находится в диапазоне от 20° до 75°, предпочтительно от 35° до 45°.
Для сечения (8) замкнутого контура, соответствующего месту соединения с вращающимся валом (2), более предпочтительно, если m находится в диапазоне от 0,001 до 0,091, p находится в диапазоне от 0,01 до 0,5, t находится в диапазоне от 0,35 до 0,45, с находится в диапазоне от 0,069 до 0,074, α находится в диапазоне от 35° до 45°.
Для сечения (9) замкнутого контура, соответствующего месту соединения первого элемента (4) с точкой (6) реверса, m находится в диапазоне от 0,001 до 0,25, предпочтительно от 0,091 до 0,144, p находится в диапазоне от 0,01 до 0,7, предпочтительно от 0,4 до 0,5, t находится в диапазоне от 0,2 до 0,65, предпочтительно от 0,43 до 0,45, с находится в диапазоне от 0,02 до 0,2, предпочтительно от 0,076 до 0,077, α находится в диапазоне от 15° до 60°, предпочтительно от 30° до 35°.
Для сечения (9) замкнутого контура, соответствующего месту соединения первого элемента (4) с точкой (6) реверса, более предпочтительно, если m находится в диапазоне от 0,091 до 0,144, p находится в диапазоне от 0,4 до 0,5, t находится в диапазоне от 0,43 до 0,45, с находится в диапазоне от 0,076 до 0,077, α находится в диапазоне от 30° до 35°.
Для сечения (10) замкнутого контура, соответствующего месту соединения второго элемента (5) с точкой (6) реверса, m находится в диапазоне от 0,001 до 0,15, предпочтительно от 0,001 до 0,064, p находится в диапазоне от 0,01 до 0,7, предпочтительно от 0,01 до 0,395, t находится в диапазоне от 0,02 до 0,25, предпочтительно от 0,12 до 0,15, с находится в диапазоне от 0,04 до 0,2, предпочтительно от 0,083 до 0,084, α находится в диапазоне от 20° до 60°, предпочтительно от 38° до 45°.
Для сечения (10) замкнутого контура, соответствующего месту соединения второго элемента (5) с точкой (6) реверса, более предпочтительно, если m находится в диапазоне от 0,001 до 0,064, p находится в диапазоне от 0,01 до 0,395, t находится в диапазоне от 0,12 до 0,15, с находится в диапазоне от 0,083 до 0,084, α находится в диапазоне от 38° до 45°.
Для сечения (11) замкнутого контура, соответствующего наружному концу лопасти ротора, имеющей сложную форму, m находится в диапазоне от 0,001 до 0,25, предпочтительно от 0,096 до 0,133, p находится в диапазоне от 0,01 до 0,75, предпочтительно от 0,5 до 0,526, t находится в диапазоне от 0,015 до 0,25, предпочтительно от 0,1 до 0,15, с находится в диапазоне от 0,04 до 0,25, предпочтительно от 0,083 до 0,085, α находится в диапазоне от 15° до 45°, предпочтительно от 25° до 35°.
Для сечения (11) замкнутого контура, соответствующего наружному концу лопасти ротора, имеющей сложную форму, более предпочтительно, если m находится в диапазоне от 0,096 до 0,133, p находится в диапазоне от 0,5 до 0,526, t находится в диапазоне от 0,1 до 0,15, с находится в диапазоне от 0,083 до 0,085, α находится в диапазоне от 25° до 35°.
Точка реверса может быть создана посредством опорного элемента (6), имеющего сложную форму, расстояние от которого до оси вращения определяет окружность, которая разделяет зону, образованную посредством разделения статора (15) в поперечном (горизонтальном) направлении, на две разные зоны с поверхностями, предпочтительно имеющими одинаковую площадь. Комплект лопастей (3) ротора, имеющих сложную форму, расположен попеременно с комплектом лопастей (16) статора, имеющих сложную форму, так, что ярус (28) лопастей (3) ротора, имеющих сложную форму, чередуется с ярусом (29) лопастей (16) статора, имеющих сложную форму, образуя очень короткое расстояние g между лопастями ротора, имеющими сложную форму, и лопастями статора, имеющими сложную форму (см. фиг.7), при этом данное расстояние находится в диапазоне между 5% и 100%, предпочтительно между 7% и 20%, более предпочтительно - между 7% и 10% от высоты h лопасти ротора, имеющей сложную форму, для получения больших градиентов скорости. Высота h лопасти, как показано на фиг.3, определяется однозначно при присвоении значений параметрам m, p, t, c и α профиля лопасти.
Как лопасти (3) ротора, имеющие сложную форму, так и лопасти (16) статора, имеющие сложную форму, проходят в радиальном направлении: лопасти ротора, имеющие сложную форму, проходят от вала (2) по направлению к внутренней боковой поверхности наружного корпуса (25), лопасти статора, имеющие сложную форму, проходят от внутренней боковой поверхности наружного корпуса (25) по направлению к валу (2). Лопасти ротора или статора, имеющие сложную форму, расположены на одинаковом расстоянии друг от друга в угловом направлении: например, если имеются две лопасти, они находятся на расстоянии 180° друг от друга, если имеются три лопасти, они находятся на расстоянии 120° друг от друга, и, если имеются четыре лопасти, они находятся на расстоянии 90° друг от друга.
Два следующих друг за другом яруса лопастей ротора, имеющих сложную форму, или лопастей статора, имеющих сложную форму, могут быть расположены в шахматном порядке друг относительно друга, то есть они не будут выровнены в аксиальном направлении, а будут повернуты друг относительно друга на определенный угол: если число лопастей равно двум, то два следующих друг за другом яруса лопастей предпочтительно расположены в шахматном порядке со смещением на 90°; если имеются три лопасти, то два следующих друг за другом яруса лопастей предпочтительно расположены в шахматном порядке со смещением на 60°; если имеются четыре лопасти, то два следующих друг за другом яруса лопастей предпочтительно расположены в шахматном порядке со смещением на 45°.
Направление протяженности каждого яруса лопастей ротора, имеющих сложную форму, и каждого яруса лопастей статора, имеющих сложную форму, предпочтительно является нормальным к оси (22) вращения. Указанные ярусы лопастей ротора, имеющих сложную форму, и лопастей статора, имеющих сложную форму, необязательно все являются одинаковыми, но могут различаться по числу лопастей и геометрическому профилю лопастей на каждом ярусе.
В ротационном перемешивающем устройстве (14) каждый ярус (29) лопастей (16) статора, имеющих сложную форму, содержит, по меньшей мере, две лопасти (16) статора, имеющие сложную форму и расположенные на одинаковых расстояниях друг от друга в угловом направлении и присоединенные к внутренней поверхности указанного наружного корпуса (25). Лопасти (16) статора, имеющие сложную форму, расположены попеременно с лопастями (3) ротора, имеющими сложную форму, при этом указанные лопасти статора, имеющие сложную форму, проходят в радиальном направлении от внутренней поверхности статора по направлению к вращающемуся валу (2).
Лопасти статора, имеющие сложную форму, описаны далее со ссылкой на фиг.4. Каждая лопасть (16) статора, имеющая сложную форму, отличается тем, что она имеет следующие характеристики:
- лопасть статора, имеющая сложную форму, включает в себя, по меньшей мере, одну точку (19) реверса осевого усилия, приложенного к текучей среде, при этом указанная точка реверса разделяет указанную лопасть на, по меньшей мере, два элемента (20) и (26) таким образом, что каждый элемент имеет направление осевого усилия, противоположное по отношению к направлению осевого усилия, создаваемого другим элементом;
- сечение замкнутого контура каждого элемента образует стандартный аэродинамический профиль с четырехзначным обозначением согласно классификации NACA, показанный в виде Знака 1, Знака 2, Знака 3 и Знака 4, подобных описанным в данном тексте, в котором:
i. параметры m, p и t изменяются в радиальном направлении вдоль направления протяженности лопасти статора, имеющей сложную форму, и, в частности, параметр m варьируется между 0,001 и 0,16, р варьируется между 0,01 и 0,8, t варьируется между 0,05 и 0,8;
ii. длина с хорды, которая соединяет переднюю кромку с задней кромкой указанного профиля, изменяется в радиальном направлении вдоль направления протяженности лопасти статора, имеющей сложную форму, в частности, длина с хорды находится в диапазоне между 0,02 и 0,15 от диаметра D ротора;
iii. хорда имеет угол α наклона относительно плоскости, ортогональной к оси вращения, который изменяется в радиальном направлении вдоль направления протяженности лопасти статора, имеющей сложную форму, в частности, угол α наклона хорды относительно плоскости, ортогональной к оси вращения, варьируется между 25° и 80°.
В частности, как показано на фиг.4, идентифицированы четыре сечения замкнутого контура лопасти статора, имеющей сложную форму, каждое из которых образует специфический аэродинамический профиль: сечение (27) соответствующее месту соединения со стенкой статора (25), сечение (30), соответствующее месту соединения элемента (26) с точкой (19) реверса, сечение (17), соответствующее месту соединения элемента (20) с точкой (19) реверса, и сечение (18), соответствующее внутреннему концу лопасти статора, имеющей сложную форму.
Для таких конкретных сечений параметры m, p, t, c и α стандартного аэродинамического профиля с четырехзначным обозначением согласно классификации NACA могут предпочтительно принимать значения в интервалах, указанных ниже.
Для сечения (18) замкнутого контура, соответствующего внутреннему концу указанной лопасти, m находится в диапазоне от 0,001 до 0,16, предпочтительно от 0,001 до 0,091, p находится в диапазоне от 0,01 до 0,8, предпочтительно от 0,01 до 0,05, t находится в диапазоне от 0,05 до 0,3, предпочтительно от 0,15 до 0,18, с находится в диапазоне от 0,02 до 0,15, предпочтительно от 0,059 до 0,06, α находится в диапазоне от 30° до 70°, предпочтительно от 50° до 60°.
Для сечения (18) замкнутого контура, соответствующего внутреннему концу указанной лопасти, более предпочтительно, если m находится в диапазоне от 0,001 до 0,091, p находится в диапазоне от 0,01 до 0,05, t находится в диапазоне от 0,15 до 0,18, с находится в диапазоне от 0,059 до 0,06, α находится в диапазоне от 50° до 60°.
Для сечения (17) замкнутого контура, соответствующего месту соединения первого элемента (20) с точкой (19) реверса, m находится в диапазоне от 0,001 до 0,15, предпочтительно от 0,001 до 0,091, p находится в диапазоне от 0,01 до 0,75, предпочтительно от 0,01 до 0,5, t находится в диапазоне от 0,15 до 0,6, предпочтительно от 0,35 до 0,4, с находится в диапазоне от 0,02 до 0,15, предпочтительно от 0,05 до 0,056, α находится в диапазоне от 40° до 80°, предпочтительно между 50° и 65°.
Для сечения (17) замкнутого контура, соответствующего месту соединения первого элемента (20) с точкой (19) реверса, более предпочтительно, если m находится в диапазоне от 0,001 до 0,091, p находится в диапазоне от 0,01 до 0,5, t находится в диапазоне от 0,35 до 0,4, с находится в диапазоне от 0,05 до 0,056, α находится в диапазоне от 50° до 65°.
Для сечения (30) замкнутого контура, соответствующего месту соединения второго элемента (26) с точкой (19) реверса, m находится в диапазоне от 0,001 до 0,15, предпочтительно от 0,001 до 0,091, p находится в диапазоне от 0,01 до 0,75, предпочтительно от 0,01 до 0,5, t находится в диапазоне от 0,2 до 0,8, предпочтительно от 0,45 до 0,55, с находится в диапазоне от 0,02 до 0,15, предпочтительно от 0,053 до 0,060, α находится в диапазоне от 25° до 75°, предпочтительно между 40° и 55°.
Для сечения (30) замкнутого контура, соответствующего месту соединения второго элемента (26) с точкой (19) реверса, более предпочтительно, если m находится в диапазоне от 0,001 до 0,091, p находится в диапазоне от 0,01 до 0,5, t находится в диапазоне от 0,45 до 0,55, с находится в диапазоне от 0,053 до 0,060, α находится в диапазоне от 40° до 55°.
Для сечения (27) замкнутого контура, соответствующего месту соединения со стенкой статора (25), m находится в диапазоне от 0,001 до 0,15, предпочтительно от 0,001 до 0,091, p находится в диапазоне от 0,01 до 0,75, предпочтительно от 0,01 до 0,5, t находится в диапазоне от 0,2 до 0,8, предпочтительно от 0,45 до 0,55, с находится в диапазоне от 0,02 до 0,15, предпочтительно от 0,053 до 0,060, α находится в диапазоне от 25° до 75°, предпочтительно между 40° и 55°.
Для сечения (27) замкнутого контура, соответствующего месту соединения со стенкой статора (25), более предпочтительно, если m находится в диапазоне от 0,001 до 0,091, p находится в диапазоне от 0,01 до 0,5, t находится в диапазоне от 0,45 до 0,55, с находится в диапазоне от 0,053 до 0,060, α находится в диапазоне от 40° до 55°.
Один из элементов лопасти (16) статора, имеющей сложную форму, прикреплен к внутренней поверхности наружного корпуса (25), в то время как другой элемент (20) проходит до вращающегося вала (2), но не касается его. Каждый элемент имеет направление осевого усилия, противоположное по отношению к направлению осевого усилия, создаваемого другим элементом. Точка реверса может быть создана посредством опорного элемента (19), имеющего сложную форму, расстояние от которого до оси вращения определяет окружность, которая разделяет зону, образованную посредством разделения статора (15) в поперечном (горизонтальном) направлении на две разные зоны с поверхностями, предпочтительно имеющими одинаковую площадь.
Точка реверса в лопастях статора, имеющих сложную форму, предпочтительно находится на таком же расстоянии от вращающегося вала, как точка реверса в лопастях ротора, имеющих сложную форму, следовательно, они соответствуют друг другу.
Для целей настоящего изобретения число лопастей (3) ротора, имеющих сложную форму, на каждом ярусе составляет, по меньшей мере, две, предпочтительно от 2 до 10, более предпочтительно - от 2 до 4. Число лопастей (16) статора, имеющих сложную форму, на каждом ярусе составляет, по меньшей мере, две, предпочтительно от 2 до 10, более предпочтительно - от 2 до 4.
Наружный корпус (25) может иметь разные формы и может быть изготовлен из разных материалов. Он может быть расположен горизонтально или вертикально, может работать под давлением, при атмосферном давлении или под действием вакуума. Как правило, указанный корпус содержит боковую стенку и два днища; боковая стенка может быть цилиндрической, конической или может иметь другую форму; днища могут быть плоскими, коническими, полусферическими, эллиптическими, тороидально-сферическими или могут иметь другую форму. В частности, указанный наружный корпус предпочтительно содержит вертикальный металлический цилиндр с эллиптическими днищами.
Вращающийся вал (2) предпочтительно является коаксиальным относительно оси наружного корпуса (25) и может функционировать в виде консольного элемента или может быть снабжен опорой на конце, противоположном по отношению к приводному узлу.
Как показано на фиг.2, ротор, описанный и заявленный в данном документе, может дополнительно содержать ярус лопастей ротора, имеющих сложную форму, наружный элемент которых, наиболее удаленной от оси (2) вращения, представляет собой средство (12) для соскребания с внутренних стенок наружного корпуса (25). Данный ярус лопастей ротора, имеющих сложную форму, обычно расположен в верхней части вращающегося вала (2), в частности, в соответствии с поверхностью раздела фаза в двухфазной системе текучих сред, например, в системе жидкость-газ.
Когда наружный корпус (25) представляет собой резервуар с вертикальной осью, соответствующие соскребающие средства имеют геометрический профиль, который содержит горизонтальный элемент, соединенный с вращающимся валом, и элемент, ортогональный к указанному горизонтальному элементу, предпочтительно имеющий прямоугольное сечение (12). Указанный горизонтальный элемент может быть частично или полностью таким же, как лопасть (3) ротора, имеющая сложную форму. Соскребающие средства поддерживают стенки резервуара в чистом состоянии в соответствии с поверхностью раздела фаз двухфазной системы, например, системы жидкость-газ, при этом данные стенки при нормальном режиме работы могут иметь тенденцию к загрязнению.
Как можно видеть на фиг.1 и фиг.2, ротор, описанный и заявленный в данном документе, может дополнительно содержать анкерный элемент (13) сложной формы, расположенный в нижней части вращающегося вала (2) в соответствии с днищем наружного корпуса, в котором он установлен. Указанный анкерный элемент снабжен соскребающими средствами, форма которых повторяет форму днища корпуса (25), в котором он установлен. Указанный анкерный элемент также предусмотрен с промежуточными рычагами, которые имеют механическую функцию упрочнения соскребающих средств. Следовательно, анкерный элемент выполнен с возможностью его адаптации к форме днища наружного корпуса, в котором он установлен.
Указанный анкерный элемент является особенно полезным, поскольку он способствует поддержанию днища перемешивающего устройства в чистом состоянии и поддержанию перемешивания любых твердых частиц, которые могут иметься. Кроме того, вся конфигурация лопастей ротора, имеющих сложную форму, и лопастей статора, имеющих сложную форму, и установка нижнего анкерного элемента облегчают операции повторного запуска после останова перемешивающего устройства в случае образования осадка из любой твердой фазы на днище, например, вследствие сбоя в подаче электропитания и последующего осаждения продукта на днище. Действительно, данная конфигурация может обеспечить дробление и измельчение спекшегося/затвердевшего продукта в отличие от того, что происходит в традиционных перемешивающих устройствах (например, в турбинной мешалке Раштона или в гидродинамической лопастной мешалке с вертикальными перегородками), которые не позволяют измельчить спекшийся/затвердевший продукт и, следовательно, обеспечить повторный запуск устройства, но требуют останова устройства и механической очистки.
Как было упомянуто ранее, лопасти ротора, имеющие сложную форму, имеют точку реверса осевого усилия, приложенного к текучей среде, а именно точку, в которой созданное осевое усилие изменяется на противоположное. Текучая среда предпочтительно выталкивается по направлению к нижней части наружного корпуса перемешивающего устройства внутренней частью лопасти ротора, имеющей сложную форму, в то время как текучая среда предпочтительно выталкивается по направлению к верхней части указанного корпуса наружной частью указанной лопасти. В каждой лопасти ротора, имеющей сложную форму, могут быть различные точки реверса, если лопасть ротора, имеющая сложную форму, разделена на три или более частей. Если рассматривать случай, в котором имеется одна точка реверса, то указанная точка реверса может быть расположена вблизи вращающегося вала (2) или вблизи внутренней боковой поверхности наружного корпуса (25). Расстояние от указанной точки реверса до оси вращения предпочтительно является таким, чтобы задать окружность, которая разделяет образованную зону на части с разными поверхностями, предпочтительно имеющими одинаковую площадь, посредством разделения статора (15) в поперечном (горизонтальном) направлении.
Указанная точка реверса может быть образована посредством соединения различных компонентов, которые образуют лопасть ротора, имеющую сложную форму, друг с другом с помощью болтового, резьбового или сварного соединения и, возможно, посредством использования соответствующей анкерной пластины. Соединение указанной лопасти ротора, имеющей сложную форму, с указанным валом может быть выполнено посредством сварки, резьбового соединения, шпоночного соединения или болтового соединения.
В предпочтительном варианте осуществления ротор, описанный и заявленный в данном документе, имеет два следующих друг за другом яруса лопастей ротора, имеющих сложную форму, которые расположены в шахматном порядке со смещением друг относительно друга. В роторе, описанном и заявленном в данном документе, все ярусы лопастей ротора, имеющих сложную форму, предпочтительно имеют одинаковое число лопастей ротора, имеющих сложную форму, и являются одинаковыми.
В предпочтительном варианте осуществления перемешивающее устройство, описанное и заявленное в данном документе, имеет два следующих друг за другом яруса лопастей статора, имеющих сложную форму, которые расположены в шахматном порядке со смещением друг относительно друга. В перемешивающем устройстве, описанном и заявленном в данном документе, все ярусы лопастей статора, имеющих сложную форму, предпочтительно имеют одинаковое число лопастей статора, имеющих сложную форму, и являются одинаковыми.
Фасонный профиль лопасти ротора, имеющей сложную форму, может быть получен, начиная с одной или более кованых деталей или одного или более полуфабрикатов, предпочтительно брусков и плит, подвергнутых технологическим процессам для удаления стружки и сваренных вместе. Кроме того, указанная лопасть ротора, имеющая сложную форму, может быть изготовлена посредством использования брусков и плит, согнутых, искривленных и закрученных, сваренных вместе так, чтобы обеспечить лучшее приближение к указанному аэродинамическому профилю. Компоненты, которые образуют лопасть ротора, имеющую сложную форму, могут быть выполнены из разных материалов: если указанные материалы не могут быть приварены друг к другу, могут быть предусмотрены соединения, альтернативные по отношению к сварке, такие как болтовое соединение, соединение посредством натяга и пайка твердым припоем.
Лопасти статора, имеющие сложную форму, также имеют точку реверса, в которой созданное осевое усилие изменяется на противоположное. Если рассматривать лопасть статора, имеющую сложную форму, то элемент, расположенный рядом с вращающимся валом, толкает многофазную текучую среду по направлению к нижней части наружного корпуса перемешивающего устройства, в то время как элемент, расположенный рядом с внутренней боковой поверхностью указанного корпуса, толкает текучую среду вверх.
Каждая лопасть статора, имеющая сложную форму, имеет, по меньшей мере, одну точку реверса. Указанная точка реверса может быть расположена вблизи вращающегося вала или вблизи внутренней боковой стенки наружного корпуса перемешивающего устройства. Расстояние от указанной точки реверса до оси вращения предпочтительно является таким, чтобы задать окружность, которая разделяет образованную зону на разные части, предпочтительно имеющие одинаковую площадь поверхности, посредством разделения статора в поперечном (горизонтальном) направлении.
Указанная точка реверса может быть образована посредством соединения различных компонентов, которые образуют лопасть статора, имеющую сложную форму, друг с другом с помощью болтового, резьбового или сварного соединения и, возможно, посредством использования соответствующей анкерной пластины. Соединение указанной лопасти статора, имеющей сложную форму, с боковой стенкой наружного корпуса перемешивающего устройства может быть выполнено посредством сварки, резьбового соединения или болтового соединения.
Фасонный профиль лопасти статора, имеющей сложную форму, может быть получен, начиная с одной или более кованых деталей или одного или более полуфабрикатов, предпочтительно брусков и плит, подвергнутых технологическим процессам для удаления стружки и сваренных вместе. Кроме того, указанная лопасть статора, имеющая сложную форму, может быть изготовлена посредством использования брусков и плит, согнутых, искривленных и закрученных, сваренных впоследствии вместе так, чтобы обеспечить лучшее приближение к указанному аэродинамическому профилю. Компоненты, которые образуют лопасть статора, имеющую сложную форму, могут быть выполнены из разных материалов: если указанные материалы не могут быть приварены друг к другу, могут быть предусмотрены соединения, альтернативные по отношению к сварке, такие как болтовое соединение, соединение посредством натяга и пайка твердым припоем.
Особенно инновационный аспект описанного и заявленного перемешивающего устройства состоит в фактическим использовании комплекта лопастей ротора, имеющих сложную форму, и лопастей статора, имеющих сложную форму, которые имеют особую форму, наряду с изменением на противоположное направления действия осевого усилия для различных радиальных частей. Данная инновационная геометрия неожиданно создает возможность получения устройства, которое может обеспечить эффективное и равномерное перемешивание однофазных или многофазных текучих сред, в особенности, тех, которые имеют высокую вязкость, в частности, неньютоновских текучих сред.
Использование комплекта лопастей ротора и статора, имеющих соответствующую сложную форму, в соответствии с настоящим изобретением создает возможность равномерного распределения турбулентности, градиентов скорости и механических напряжений во всем объеме перемешиваемой текучей среды. Особый гидродинамический профиль лопастей ротора, имеющих сложную форму, и лопастей статора, имеющих сложную форму, который является изменяющимся в радиальном направлении, обеспечивает возможность эффективного и рационального перемещения текучей среды. Осуществляемое в радиальном направлении изменение на противоположное направления осевого усилия создает возможность получения потока, имеющего множество направлений, в перемешивающем устройстве, в результате чего обеспечивается высокая степень перемешивания.
Следовательно, предмет настоящего изобретения состоит в устройстве, выполненном с возможностью перемешивания текучих сред как при турбулентном, так и при ламинарном потоке. В частности, предмет настоящего изобретения выполнен с возможностью перемешивания текучих сред, транспортные свойства которых изменяются в соответствии со степенью турбулентности, градиентами скорости и локальными механическими напряжениями и которые, следовательно, требуют высокой степени однородности и равномерности в резервуаре для перемешивания, при этом, таким образом, устраняются ограничения предшествующего уровня техники в подобной области применения. Следовательно, устройство в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает возможность эффективного перемешивания текучих сред в турбулентном потоке при минимизации зон покоя, уменьшении возможности спекания/образования комков и/или гелеобразования при любых содержащихся твердых частицах, эффективном и равномерном диспергировании любых содержащихся диспергируемых фаз (жидкостей, твердых частиц, газов). Система в соответствии с настоящим изобретением также выполнена с возможностью перемешивания текучих сред в присутствии химических реакций, при адиабатическом режиме или с теплообменом, в непрерывном или прерывистом режиме.
В связи с фиг.5 следует отметить, что имеющий четырехзначное обозначение согласно классификации NACA, стандартный аэродинамический профиль, образованный сечениями замкнутого контура первого и второго элементов лопасти ротора, имеющей сложную форму, или лопасти статора, имеющей сложную форму, который описан и заявлен в данном документе, может быть образован посредством криволинейного профиля (21) или посредством непрерывного сегментированного профиля (24), содержащего n отрезков, при этом два следующих друг за другом отрезка образуют угол β, при этом n варьируется между 2 и 10, предпочтительно между 4 и 8, и β варьируется между 0,1° и 270°.
В третьем альтернативном варианте имеющий четырехзначное обозначение согласно классификации NACA, стандартный аэродинамический профиль, образованный сечениями замкнутого контура первого и второго элементов лопасти ротора, имеющей сложную форму, или лопасти статора, имеющей сложную форму, который описан и заявлен в данном документе, может быть образован посредством криволинейного профиля, содержащего комбинацию криволинейных участков и n отрезков, при этом два следующих друг за другом отрезка образуют угол β, который варьируется между 0,1° и 270°, при этом n варьируется между 2 и 10.
Сегментированный профиль может состоять из n следующих друг за другом отрезков, при этом n варьируется между 2 и 10, предпочтительно между 4 и 8, таким образом, что множество точек, которые образуют концы указанных отрезков, могут быть определены посредством стандартного профиля с четырехзначным обозначением согласно классификации NACA, подобного описанному в тексте. Подобные точки также могут не совпадать с точками стандартного профиля с четырехзначным обозначением согласно классификации NACA, подобного описанному в тексте; тем не менее, они должны отличаться от него не более, чем на 10% от длины хорды, при этом данное различие означает минимальный радиус окружности, имеющей центр, который совпадает с данной точкой, и касательной к профилю. Кроме того, неперекрываемая зона между профилем с отрезками и аэродинамическим профилем NACA должна составлять менее 10% от общей площади аэродинамического профиля NACA.
Ниже предлагается пример, репрезентативный для изобретения.
ПРИМЕР 1
В данном примере предмет изобретения был применен для устройства в полупромышленных условиях с нижеуказанными характеристиками: вертикальный резервуар с эллиптическими днищами, диаметр 670 мм, высота заполнения 680 мм от нижней касательной линии, перемешиваемый объем 0,28 кубических метра. В резервуаре осуществляется непрерывное перемешивание двухфазной текучей среды, содержащей смесь углеводородов С2-С3 и соответствующего катализатора, для того, чтобы реакция полимеризации происходила в суспензии. Условия реакции следующие: давление 10-20 бар и температура 15-40°С. При таких условиях -2-4% веса твердого полимера получают в суспензии в смеси реагентов. Описываемое устройство исходно было оснащено мешалкой, содержащей комплект лопастей ротора и лопастей статора, соединенных с корпусом, которая представляет собой базовый вариант, соответствующий известному уровню техники, предшествующему по отношению к предмету изобретения.
Лопасти ротора с диаметром 660 мм расположены на 7 ярусах, при этом каждый ярус содержит 2 лопасти и следующие друг за другом ярусы расположены в шахматном порядке со смещением на 90°. Лопасти статора расположены на 7 ярусах, при этом каждый ярус содержит 4 лопасти и следующие друг за другом ярусы не расположены в шахматном порядке. Лопасти статора имеют длину 280 мм. Каждая лопасть ротора выполнена из горизонтального металлического бруска с высотой 20 мм, поверхность которого, которая первой сталкивается с текучей средой, наклонена под углом 60° относительно плоскости, перпендикулярной к оси вращения, так, чтобы сообщить текучей среде движение в направлении вверх. Лопасти статора образованы посредством цилиндра с диаметром 20 мм. Зазор между лопастью ротора и лопастью статора составляет 21,5 мм. Мешалка дополнительно снабжена нижним анкерным элементом, которому придана форма, подобная эллиптическому днищу, (при этом зазор между анкерным элементом и днищем составляет приблизительно 5 мм) и средствами для соскребания со стенок на верхнем ярусе лопастей ротора. Частота вращения равна 150 об/мин.
Следовательно, лопасти ротора и статора были заменены новыми лопастями ротора и новыми лопастями статора, имеющими сложную форму, подобными описанным в настоящем изобретении.
Лопасти ротора, имеющие сложную форму, и лопасти статора, имеющие сложную форму, выполнены с одной точкой реверса, расположенной на расстоянии 240 мм от оси вращения. Со ссылкой на фиг.3 и текст настоящего изобретения следует указать, что аэродинамический профиль лопастей ротора, имеющих сложную форму, характеризуется параметрами, приведенными в нижеследующей Таблице А:
Таблица А
| Сечение | 8 | 9 | 10 | 11 |
| m | 0,001 | 0,001 | 0,001 | 0,091 |
| p | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,5 |
| t | 0,4 | 0,4 | 0,16 | 0,22 |
| c | 0,060 | 0,060 | 0,072 | 0,054 |
| α [°] | 45 | 45 | 38 | 30 |
Со ссылкой на фиг.4 и текст настоящего изобретения следует указать, что аэродинамический профиль лопастей статора, имеющих сложную форму, характеризуется параметрами, приведенными в нижеследующей Таблице В:
Таблица В
| Сечение | 18 | 17 | 27 и 30 |
| m | 0,001 | 0,077 | 0,102 |
| p | 0,01 | 0,424 | 0,438 |
| t | 0,3 | 0,55 | 0,55 |
| c | 0,051 | 0,043 | 0,052 |
| α [°] | 45 | 60 | 40 |
Имеющие сложную форму лопасти ротора с диаметром 660 мм расположены на 7 ярусах, при этом каждый ярус содержит 2 лопасти и следующие друг за другом ярусы расположены в шахматном порядке со смещением на 90°. Лопасти статора, имеющие сложную форму, расположены на 7 ярусах, при этом каждый ярус содержит 4 лопасти и следующие друг за другом ярусы не расположены в шахматном порядке. Лопасти статора, имеющие сложную форму, имеют длину 280 мм. Зазор между лопастью ротора и лопастью статора составляет 16,5 мм. Мешалка дополнительно снабжена нижним анкерным элементом, которому придана форма, подобная эллиптическому днищу, (при этом зазор между анкерным элементом и днищем составляет приблизительно 5 мм) и средствами для соскребания со стенок на верхнем ярусе лопастей ротора, имеющих сложную форму. Частота вращения равна 150 об/мин.
Уровни эффективности функционирования предмета изобретения в данном примере были проверены посредством методов CFD (вычислительной динамики текучих сред). Для анализа было использовано коммерческое программное обеспечение ANSYS CFX с сеткой для вычислений с более 4 миллионами тетраэдральных элементов, моделью турбулентности К-эпсилон, однофазной ньютоновской текучей средой с плотностью 500 кг/м3 и вязкостью 0,0002 Па⋅с.
Из выполненного анализа было получено, что скорость смешиваемого потока увеличилась более чем в 3 раза по отношению к базовому примеру для предмета изобретения, при этом поглощенная мощность изменялась в пределах 10% по отношению к базовому примеру. Мощность была рассчитана как произведение крутящего момента на лопастях ротора и частоты вращения, в то время как скорость смешиваемого потока была рассчитана как скорость потока в направлении вверх через плоскость, ортогональную к оси вращения и расположенную в середине высоты лопасти ротора.
1. Ротор (1), включающий в себя вращающийся вал (2), комплект лопастей (3) ротора, имеющих сложную форму и расположенных вдоль всей длины или части длины вращающегося вала, при этом лопасти проходят параллельно плоскости, ортогональной к оси (22) вращения, причем комплект лопастей ротора, имеющих сложную форму, содержит по меньшей мере один ярус (28) лопастей ротора, имеющих сложную форму; при этом каждый ярус (28) содержит по меньшей мере две лопасти (3) ротора, имеющие сложную форму и расположенные с равными промежутками вокруг указанного вала; причем лопасти ротора, имеющие сложную форму, соединены с вращающимся валом посредством одного из их концов; при этом лопасти ротора, имеющие сложную форму, характеризуются тем, что:
а) лопасть ротора, имеющая сложную форму, содержит по меньшей мере одну точку (6) реверса осевого усилия, приложенного к текучей среде, причем точка реверса разделяет лопасть ротора, имеющую сложную форму, на по меньшей мере два элемента (4 и 5), которые проходят в радиальном направлении относительно друг друга, так что каждый элемент имеет направление осевого усилия, противоположное по отношению к направлению осевого усилия, создаваемого другим элементом;
b) сечение замкнутого контура каждого элемента образует стандартный аэродинамический профиль с четырехзначным обозначением согласно классификации NACA, показанный в виде Знака 1, Знака 2, Знака 3 и Знака 4, в котором:
i) параметры m, p и t изменяются в радиальном направлении вдоль направления протяженности лопасти ротора, имеющей сложную форму;
ii) длина с хорды, которая соединяет переднюю кромку с задней кромкой указанного профиля, изменяется в радиальном направлении вдоль направления протяженности лопасти ротора, имеющей сложную форму;
iii) хорда имеет угол α наклона относительно плоскости, ортогональной к оси вращения, который изменяется в радиальном направлении вдоль направления протяженности лопасти ротора, имеющей сложную форму.
2. Ротор по п.1, в котором m находится в диапазоне между 0,001 и 0,25, p находится в диапазоне между 0,01 и 0,85, t находится в диапазоне между 0,015 и 0,75, длина с хорды находится в диапазоне между 0,02 и 0,25 от диаметра D ротора, а угол α наклона хорды относительно плоскости, ортогональной к оси вращения, находится в диапазоне между 15° и 75°.
3. Ротор по п.2, в котором сечение (8) замкнутого контура лопасти ротора, имеющей сложную форму, которое соответствует месту соединения с вращающимся валом (2), образует аэродинамический профиль, в котором m находится в диапазоне от 0,001 до 0,15, p находится в диапазоне от 0,01 до 0,85, t находится в диапазоне от 0,02 до 0,75, с находится в диапазоне от 0,02 до 0,15, и α находится в диапазоне от 20° до 75°.
4. Ротор по п.2, в котором сечение (9) замкнутого контура лопасти ротора, имеющей сложную форму, которое соответствует месту соединения первого элемента (4) с точкой (6) реверса, образует аэродинамический профиль, в котором m находится в диапазоне от 0,001 до 0,25, p находится в диапазоне от 0,01 до 0,7, t находится в диапазоне от 0,2 до 0,65, с находится в диапазоне от 0,02 до 0,2, и α находится в диапазоне от 15° до 60°.
5. Ротор по п.2, в котором сечение (10) замкнутого контура лопасти ротора, имеющей сложную форму, которое соответствует месту соединения второго элемента (5) с точкой (6) реверса, образует аэродинамический профиль, в котором m находится в диапазоне от 0,001 до 0,15, p находится в диапазоне от 0,01 до 0,7, t находится в диапазоне от 0,02 до 0,25, с находится в диапазоне от 0,04 до 0,2, и α находится в диапазоне от 20° до 60°.
6. Ротор по п.2, в котором сечение (11) замкнутого контура лопасти ротора, имеющей сложную форму, которое соответствует наружному концу указанной лопасти, образует аэродинамический профиль, в котором m находится в диапазоне от 0,001 до 0,25, p находится в диапазоне от 0,01 до 0,75, t находится в диапазоне от 0,015 до 0,25, с находится в диапазоне от 0,04 до 0,25, и α находится в диапазоне от 15° до 45°.
7. Ротор по любому из пп.1-6, в котором имеющий четырехзначное обозначение согласно классификации NACA стандартный аэродинамический профиль лопасти (3) ротора, имеющей сложную форму, выполнен с криволинейным профилем (21) или с сегментированным непрерывным профилем (24), состоящим из n отрезков, в котором два следующих друг за другом отрезка образуют угол β, причем n находится в диапазоне между 2 и 10, а β находится в диапазоне между 0,1° и 270°.
8. Ротор по любому из пп.1-6, в котором имеющий четырехзначное обозначение согласно классификации NACA стандартный аэродинамический профиль лопасти (3) ротора, имеющей сложную форму, реализован посредством непрерывного профиля, состоящего из комбинации криволинейных участков и n отрезков, в котором два следующих друг за другом отрезка образуют угол β, который находится в диапазоне между 0,1° и 270°, при этом n варьируется между 2 и 10.
9. Перемешивающее устройство, содержащее:
- ротор (1) по любому из пп.1-8, который имеет функцию перемешивания однофазной или многофазной текучей среды за счет сообщения ей движения, и
- статор (15), который содержит наружный корпус (25) и комплект лопастей (16) статора, имеющих сложную форму, расположенных на всей или на части внутренней боковой поверхности корпуса; причем комплект лопастей статора, имеющих сложную форму, содержит по меньшей мере один ярус лопастей статора, имеющих сложную форму, при этом каждый ярус (29) содержит по меньшей мере две лопасти (16) статора, имеющие сложную форму и расположенные с равными промежутками в угловом направлении, при этом лопасти статора, имеющие сложную форму, прикреплены к внутренней боковой поверхности наружного корпуса (25) посредством одного из их концов, причем статор имеет функцию преобразования движения, генерируемого ротором, в преимущественно аксиальный поток.
10. Перемешивающее устройство по п.9, в котором лопасть (16) статора, имеющая сложную форму, имеет следующие характеристики:
а) лопасть (16) статора, имеющая сложную форму, включает в себя по меньшей мере одну точку (19) реверса осевого усилия, приложенного к текучей среде, при этом указанная точка реверса разделяет указанную лопасть на по меньшей мере два элемента (20) и (26) таким образом, что каждый элемент имеет направление осевого усилия, противоположное по отношению к направлению осевого усилия, создаваемого другим элементом;
b) сечение замкнутого контура каждого элемента образует стандартный аэродинамический профиль с четырехзначным обозначением согласно классификации NACA, указанный в виде Знака 1, Знака 2, Знака 3 и Знака 4, в котором:
i) параметры m, p и t изменяются в радиальном направлении вдоль направления протяженности имеющего сложную форму лопастного элемента (16) статора;
ii) длина с хорды, которая соединяет переднюю кромку с задней кромкой указанного профиля, изменяется в радиальном направлении вдоль направления протяженности имеющего сложную форму лопастного элемента (16) статора;
iii) хорда имеет угол α наклона относительно плоскости, ортогональной к оси вращения, который изменяется в радиальном направлении вдоль направления протяженности лопасти (16) статора, имеющей сложную форму.
11. Устройство по п.10, в котором параметр m находится в диапазоне между 0,001 и 0,16, p находится в диапазоне между 0,01 и 0,8, t находится в диапазоне от 0,05 до 0,8, с находится в диапазоне между 0,02 и 0,15 от диаметра D ротора, и угол α наклона хорды относительно плоскости, ортогональной к оси вращения, находится в диапазоне между 25° и 80°.
12. Устройство по п.11, в котором сечение (18) замкнутого контура лопасти статора, имеющей сложную форму, которое соответствует внутреннему концу указанной лопасти, образует аэродинамический профиль, в котором m находится в диапазоне от 0,001 до 0,16, p находится в диапазоне от 0,01 до 0,8, t находится в диапазоне от 0,05 до 0,3, с находится в диапазоне от 0,02 до 0,15, и α находится в диапазоне от 30° до 70°.
13. Устройство по п.11, в котором сечение (17) замкнутого контура лопасти статора, имеющей сложную форму, которое соответствует месту соединения первого элемента (20) с точкой (19) реверса, образует аэродинамический профиль, в котором m находится в диапазоне от 0,001 до 0,15, p находится в диапазоне от 0,01 до 0,75, t находится в диапазоне от 0,15 до 0,6, с находится в диапазоне от 0,02 до 0,15, и α находится в диапазоне от 40° до 80°.
14. Устройство по п.11, в котором сечение (30) замкнутого контура лопасти статора, имеющей сложную форму, которое соответствует месту соединения второго элемента (26) с точкой (19) реверса, образует аэродинамический профиль, в котором m находится в диапазоне от 0,001 до 0,15, p находится в диапазоне от 0,01 до 0,75, t находится в диапазоне от 0,2 до 0,8, с находится в диапазоне от 0,02 до 0,15, и α находится в диапазоне от 25° до 75°.
15. Устройство по п.11, в котором сечение (27) замкнутого контура лопасти статора, имеющей сложную форму, которое соответствует месту соединения со стенкой статора (25), образует аэродинамический профиль, в котором m находится в диапазоне от 0,001 до 0,15, p находится в диапазоне от 0,01 до 0,75, t находится в диапазоне от 0,2 до 0,8, с находится в диапазоне от 0,02 до 0,15, и α находится в диапазоне от 25° до 75°.
16. Перемешивающее устройство по любому из пп.9-15, в котором имеющий четырехзначное обозначение согласно классификации NACA стандартный аэродинамический профиль лопасти (16) статора, имеющей сложную форму, выполнен с криволинейным профилем или с непрерывным сегментированным профилем, состоящим из n отрезков, в котором два следующих друг за другом отрезка образуют угол β, причем n находится в диапазоне между 2 и 10, а β находится в диапазоне между 0,1° и 270°.
17. Перемешивающее устройство по любому из пп.9-15, в котором имеющий четырехзначное обозначение согласно классификации NACA стандартный аэродинамический профиль лопасти (3) статора, имеющей сложную форму, реализован посредством непрерывного профиля, состоящего из комбинации криволинейных участков и n отрезков, в котором два следующих друг за другом отрезка образуют угол β, который находится в диапазоне между 0,1° и 270°, при этом n находится в диапазоне между 2 и 10.
18. Устройство по любому из пп.9-17, в котором ряд лопастей (3) ротора, имеющих сложную форму, находится между рядами лопастей (16) статора, имеющих сложную форму, так что имеется чередование яруса (28) лопастей (3) ротора, имеющих сложную форму, и яруса (29) лопастей (16) статора, имеющих сложную форму, причем образуется расстояние между лопастями ротора, имеющими сложную форму, и лопастями статора, имеющими сложную форму, которое находится в диапазоне от 5% до 100% от высоты h лопасти ротора, имеющей сложную форму.
19. Перемешивающее устройство по любому из пп.9-18, в котором лопасти (3) ротора, имеющие сложную форму, и лопасти (16) статора, имеющие сложную форму, находятся на одинаковом расстоянии друг от друга в угловом направлении.
20. Перемешивающее устройство по любому из пп.9-19, в котором точка реверса в лопасти (16) статора, имеющей сложную форму, или точка реверса в лопасти (3) ротора, имеющей сложную форму, или обе данные точки представляют собой элемент опоры (6), имеющей сложную форму, расстояние от которой до оси (22) вращения определяет окружность, которая разделяет зону, образованную за счет выполнения поперечного разреза статора (15), на две зоны с равной площадью поверхности.
21. Способ изготовления лопасти ротора, имеющей сложную форму, или лопасти статора, имеющей сложную форму, с аэродинамическим профилем посредством съема стружки или посредством сваривания вместе одной или более кованых деталей или полуфабрикатов, предпочтительно брусков или плит.
22. Способ получения имеющего сложную форму аэродинамического профиля лопасти ротора или лопасти статора посредством сгибания, закручивания и гибки брусков и листов и последующего приваривания брусков и листов друг к другу таким образом, чтобы обеспечить наилучшее приближение к указанному аэродинамическому профилю.
