CN1099530C - 气穴发生泵及其产生旋转气穴流体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能在出口产生较强气穴的气穴发生泵及其产生旋转气穴流体的方法。其用中空的屏蔽电机轴经增速器与前后盖板直径不等的径流叶轮直联，并在电机后部装有进气量可调节的电磁铁控制的进气阀，叶轮高速旋转使液体获得较高的速度，在压力作用下喷射出气穴发生盖板，产生带气穴的旋转发散的复杂流场。该泵同时完成轴功传递、引气、吸液、增压和发生气穴，其结构紧凑、能量转换效率高，适用于洗涤、混合、水力按摩和其他需要气穴加强其作用的场合。

Description

气穴发生泵及其产生旋转气穴流体的方法

本发明涉及一种叶片泵，具体地说是径流叶轮与气穴发生盖板配合工作的气穴发生泵，及其产生气穴的方法，其广泛用于洗涤、混合、乳化和水力按摩等需要气穴增强作用的场合。

汽蚀、空化、空穴在流体力学中一般指的是同一概念，一般用在没有加气时的液体中的一种物理过程，本发明涉及的叶片泵由于吸入部分空气，所以定名为气穴发生泵，在有加空气的汽蚀过程时，解释这种现象，在《工业中的混合过程》(1991年9月由中国石化出版社出版)一书中也使用了“气穴”这一概念。公知的水力流动气穴发生方法是根据液体流过如文吐里管或绕流物体时，会在文吐里管的喉部、扩散管的连接处以及绕流物体的尾流中出现汽蚀区，依靠文吐里管的一定自吸作用吸入部分空气而发生气穴现象。这类装置整体工作需配置加压泵、供水管道、回水器和喷头等组成***，其缺点是该***容易堵塞，并且堵塞后清洗维修不便，另外这种装置对文吐里管喉部速度一般要求10-30秒/米甚至更高，所以要求泵的压力较高，尽管如此，其产生的汽蚀强度仍然比较低。有些改进方法是，在喷头中加尖劈等绕流体，而使气穴作用在出口部分最强烈，但整个***的效率仍然提不高。中国专利文献93108263.3公开了一种《盘形混合器》采用较为简单的结构，其在一个转动的圆盘上置有一个形成刀刃的圆周边缘和多个轴向的贯穿通孔，使圆盘在液体中转动，液体在流过孔之后就被径向向外甩出，致使产生气穴小泡，该专利用作混合和将气体溶解于液体之中，由于该专利涉及的气穴是在转动的圆盘上发生的，而液体中转动的带通孔圆盘上发生气穴现象，只能是在圆盘高速旋转，使小孔上的过流液体发生脱流，形成局部压力低于一定值时才会发生，因而有碍圆盘正常工作的纺织物和固体是不能直接放入该装置中，否则会被高速转动的圆盘打烂，如在圆盘上加装隔离托架，则由于气穴最强烈区域是在圆盘上，二者距离过远，造成气穴现象迅速减弱。无论进入该装置的液体在圆盘的作用下是径向流动形态还是轴向流动形态都只是产生涡漩，轴功输入的能量用以混合、分散过程，不能产生泵送和吸入作用。不可否认这种带通孔的旋转圆盘的气穴发生方法产生的汽蚀强度比应用文吐里管的装置大，换能效率与超声波换能器产生的汽蚀强度相仿且克服了超声波换能器功率小的缺点，但其性能和产生气穴的方法仍不理想。

本发明的目的是，针对上述现有技术存在的不足，进行改进，提出一种相对旋转流动的气穴发生泵，以及使用泵持续安全产生强旋转气穴流体的方法。

本发明的技术解决方案是，采用电机传动的径流叶片泵结构，径流叶轮由前盖板、5-8片流线形弯曲叶片和后盖板组成，叶片在前盖板、后盖板中间均匀分布，三者连为一体，其特征在于，前盖板与后盖板直径不同，直径小者靠近固定在泵体上的气穴发生盖板，气穴发生盖板与在其里面的径流叶轮的叶片之间留有间距，径流叶轮置于泵体和气穴发生盖板构成的压力室中。

气穴发生盖板上有多个贯通的小孔，其沿气穴发生盖板的半径均匀分布，随着在气穴发生盖板半径的增大，小孔的直径逐渐增大。

前盖板，配有进水口的盖板，其中央留有叶轮进口与吸入室相通，前盖板的外缘直径小于后盖板的外缘直径，后盖板盖满整个叶片并且依靠叶轮轮毂固定于泵轴上。

前盖板中央留有吸入口与吸入室相通，前盖板的外缘直径大于后盖板的外缘直径并且盖满叶片，前盖板的直径外缘端部有一与前盖板连成一体的圆环，后盖板依靠叶轮轮毂固定在泵轴上，泵轴穿过前盖板中央的叶轮进口。

电机采用中空轴与叶轮直联，中空轴在叶轮进口部位有4-6个径向开孔，与叶轮进口相通且呈均匀分布。

电机采用中空的电机轴，其与中空的泵轴之间配有增速器，中空的泵轴在叶轮进口部位有4-6个径向均匀分布的开孔与叶轮进口相通。

电机的尾部装有电磁铁控制的进气阀，与进气阀连通的进气吸入口上还装有调节进气量的锥形阀。

电机的定子绕组外装有薄壁无磁性的密封套。

依据上述气穴发生泵，提出一种产生强旋转气穴流体的方法：其特征在于有压力的高速旋转液体是由旋转叶轮吸入液体后产生的，该液体流经静止的安放在叶片外的带通孔的板面，形成液体与板面上通孔之间具有相对速度的运动，在压差的作用下，迫使液体从要求方向上的通孔喷射出流，由此，通孔边缘的钢性固体就给出流液体施加了一个剪切力，使液体在通孔边缘脱流，形成局部低压，发生气穴，产生本发明要求的带气穴流束，由众多的流束组成流束团成为要求的流场，由于气穴发生盖板上的这种出流是与封闭在盖板里的叶轮叶槽中液体的绝对速度大小和方向直接相关，出流速度大小是沿径向增大，方向随绝对速度角度的变动而在变动，从而在气穴发生盖板外产生带气穴的旋转发散的复杂的两相流场。在吸入液体中补充空气，气穴产生量进一步增多，优化的补气量为过流量的0.1％-2.0％。

本发明的必要技术特征和积极技术效果之间的关系如下；前盖板与后盖板两种不同组合结构的叶轮，都是在一面是气穴发生盖板的压力室中转动，使流液在叶轮的叶片流槽中产生较高的绝对速度，这样一来受叶轮驱动而发生伴随运动的液体与静止的气穴发生盖板之间就有了较大的剪切运动，并依靠旋转叶轮的升压作用，使液体获得足够的压能而压出气穴发生盖板上密布的圆通孔，在圆通孔的外缘、高速运动的液体产生脱流现象而发生气穴作用，由于转动的叶轮处在封闭的压力室内，所以是很安全的，不会发生叶轮甩出的意外现象。为了进一步增加气穴的发生量，本发明采用中空轴的结构，作为电机轴和泵轴或叶轮轴，将少量空气利用吸入室中的负压(真空度)自动吸进叶轮，这些较大的气团在压力室中被高速旋转的叶轮压缩后，伴随被旋转并获得一定压力的液体流入气穴发生盖板上的小通孔，随着剪切及减压的作用被迅速破碎成气穴，从而增强了气穴发生量，这样过程连续不断，从而获得较强的气穴，据申请人所知，向水力机械补气，国内外曾做过一些试验，如日本富士公司进行的水轮机模型试验，就给出过水轮机最优补气量的近似公式，但其补气方法是为消除水轮机或泵的叶面汽蚀和涡带汽蚀的不良影响，以延长水轮机和泵的工作寿命，本发明虽也利用了这种作用，但补气的根本目的是为了在气穴发生盖板上产生尽可能多的气穴，即获得强的气穴发生量。本发明的气穴发生泵安装在如洗涤槽等容器中时，为使该泵不工作情况下，槽中液体不能通过中空轴流出。本发明在泵的电机的后部采用了一种可调进气量的由电磁铁控制的进气阀使其关闭。为使本发明在某些情况下产生很强的气穴，需要提高叶轮中液体运动的绝对速度，鉴于一般交流电机转速(最高3000转/分)很难满足要求，本发明在电机轴与叶轮轴之间加入一个增速器，以保证增大转速的需要。

本发明的优点在于，采用气穴发生盖板直接面对要求强气穴的位置，其气穴利用率高；采用有屏蔽套的电机，保证电机不会发生电气安全事故，可以在液体容器中自由安置；在本发明的泵结构中，能同时完成轴功传递、吸液、增压、引气和气穴发生等功能，不需另外设置复杂的***器件，使其结构紧凑，同时能量转换利用率高；本发明提出的气穴产生方法，将现有技术中带通孔的圆盘切割静止液体运动以产生气穴，更换成利用叶轮工作，使液体旋转增速增压后，切割流过静止的气穴发生盖板上的贯通小孔，并在贯通小孔外脱流产生气穴，由于气穴发生盖板设置的位置是直接面对要求强气穴的位置，因此能够获得大量的所需气穴，满足洗涤、混合及乳化等多种工作条件的要求，其方法简单、效率高，便于实施和应用。

图1，本发明的基本结构示意图之一

图2，本发明的基本结构示意图之二

图3，本发明采用的叶轮的平面图

图4，本发明采用的气穴发生盖板上的有通孔的部位放大示意图

图5，本发明采用的电磁铁控制的进气阀结构示意图

下面根据附图，详细描述本发明的实施例如图1、图3、图4、图5所示，本发明提出的实施例一是在容器中使用的装置，其采用由电机直接传动的径流叶片泵结构，过流部件由气穴发生盖板6、叶轮7、压力室5、吸入室11、中空轴13、和电磁铁控制的进气阀1组成，其中中空轴13、进气阀1是吸气部分，在电磁铁控制的进气阀1关闭时不起作用，气穴发生盖板6上的通孔8的进口加工成带圆弧的进口，以减少入口脱流。电磁铁控制的进气阀1由电磁铁线圈26、阀片25、弹簧24及阀座29组成，阀片25一面带球面，一面为平面，且阀片25带球面的一面与弹簧24配连，弹簧24固定在阀座29上，阀座29上有进气口28，阀片25完全为平面的一面与电磁铁线圈26配合，阀片25上有过气孔，电磁铁线圈26加电是由电机引出的电经延时供给，当电磁铁线圈26加电后，电磁铁将阀片25吸合，使压紧在进气口28上的阀片25克服弹簧24的拉力打开进气口28，进气阀1处于进气状态，在失电后，阀片25脱离电磁铁线圈2 6的电磁吸力，依靠弹簧24的拉力使其压紧在与其相对的进气口28面上并止水，另外在空气吸入口即进气口28前端装有锥形阀27，以调节进气量，电机采用屏蔽电机，其安装在泵体2中，电机轴即泵轴采用中空轴13，中空轴13与泵体2配合的部位装有轴承14，电磁铁控制的进气阀1与中空轴13配合，装在电机的尾部，中空轴13的前部配装叶轮7，叶轮7采用径流叶轮。气穴发生盖板6与泵体2配接，并装在泵体2前部支承板上，可以拆卸。气穴发生盖板6将装在中空轴13端部的叶轮7罩住，其内的空间，形成了压力室5和吸入室11，吸入室11通过气穴发生盖板6内上的突起环圈与叶轮7之间空间构成，并靠叶轮进口10通过叶轮7，与压力室5相通。径向叶轮由前盖板22、5-8片流线形弯曲叶片21和后盖板23组成，叶片21在前盖板22、后盖板23中间均匀分布，各叶片21之间形成通过液体的流槽，前盖板22、后盖板23与5-8片叶片21组合为一体，在这里需要指出的是，前盖板22与后盖板23的直径不相同，前盖板22的外缘直径小于后盖板23的外缘直径，后盖板23盖满整个叶片21，并且依靠叶轮轮毂固定于中空轴13上。中空轴13在叶轮进口10部位有4-6个径向均匀分布的开孔12与叶轮进口10(即吸入口)10相通，而前盖板22只部分地覆盖叶片21，前盖板22配进水口，其中央有吸入孔，液体通过吸入孔到叶轮进口10。直径较小的前盖板22靠近固定泵体2上的气穴发生盖板6，气穴发生盖板6与在其里面的径流叶轮的叶片21之间留有间距，气穴发生盖板6上有多个贯通的小孔8，其沿气穴发生盖板6的半径均匀分布开来，并随着其在气穴发生盖板6上分布半径的增大，小孔8的直径逐渐增大。电机由定子绕组4与转子3、电机轴组成，在电机的定子绕组4外装有薄壁的无磁性的密封套15，以防水进入电机定子绕组4。本实施例的装置是为满足尽可能小容器使用要求，其吸入室进口与压力室的出口同侧布置(相对叶轮的承磨环而言)，这种布置只需打开气穴发生盖板6就能取出叶轮7，因而维修简单，泵和电机可做成一体式，本发明的装置出口旋转发散的液体，在完成混合、乳化或洗涤要求后，仍然从同侧中央吸入回到叶轮进行循环。因而气穴发生盖板6中央的吸液孔大于气穴发生盖上的出液孔即气穴发生孔，该装置的特点是循环速度较快，循环的范围较小。高速旋转的叶轮7使液体获得动能和压能，本发明装置采用的叶轮11与一般的径流叶轮有所不同，处于前盖板22与后盖板23之间的叶片21部分裸露，其半径由不盖满叶片21处的液所属绝对速度和压力满足在气穴发生盖板6上的小孔2出流发生的汽蚀的强度决定，实验观察液流绝对速度为5-8米/秒，以上就有汽蚀现象发生。

如图2所示本发明提出的实施例之二，是前述的实施例的基本结构不变的基础上将吸入室设置在泵体2上，使吸入室的进口与压力室5的出口位于安装于压力室5固定在泵轴上叶轮7背对的两侧，它靠一个或多个吸入口吸入液体，或者做成开式直接通过滤网19吸入液体，装多个吸入管口时，可通过管路从混合容器的侧壁等较远的处吸回，其特点是循环范围大，该装置可用于不需要液体循环的气穴清洗工作中，直接用一根加长的吸入管作手柄，同时用以接通自来水或桶水，在满足吸入真空度的要求下，靠软管可以伸长和移动。在本实施例中，自来水通过加长管直接送入吸入口20、滤网19到吸入室11、再经过吸入孔进入叶轮。由于吸入室11是设在泵体2上，因此采用的叶轮7的结构与前实施例稍有不同，即前盖板的外缘端部有一与前盖板22连为一体的圆环，它可以进一步保证液流有效地从气穴发生盖板6射出，另一不同之处是前盖板22完全盖住叶片21，而目前盖板22是与泵体2上的支承板配接，在配合部位前盖板22套在承磨环17、而后盖板23通过叶轮轮毂固定在泵轴上且与气穴发生盖板6贴近，并且后盖板23比前盖板22直径小，因此后盖板23只能盖住部分叶片21，在这里后盖板23盖住叶片21的半径同样是由流槽中液体所需的绝对速度和压力决定的，气穴发生盖板6中央部分没有实施例一中的较大吸液孔。在整个气穴发生盖板6上，孔径的大小是沿着气穴发生盖板6的半径逐渐增大的。这种结构的作用是使过孔的流速保持相同，气穴在盖板半径小的中部也能够较多发生。此外为了提高屏蔽电机的转速，电机轴和泵轴均采用中空轴，在电机轴、泵轴之间加入增速器18，在泵体2上支承电机轴的轴承14与增速器18之间的电机轴部分套装有密封件16。增速器18的作用是异步电机较低的转速通过增速器18加以提高直到2-4倍的增速比，再传到叶轮7，因为高转速的叶轮7中液体的绝对速度是较大，这样加强气穴发生的强度，对降低电机噪声也是有利，增速器在吸入室11中可以靠清洁的自来水润滑。

上述两个实施例均实现本发明提出的产生强旋转气穴流体的方法。驱动电机带动叶轮7转动，将液体吸入本发明装置的压力室5，即可获得有压力的高速旋转的液体，再让该液体强迫通过安置在叶轮7前面的与叶片21作配合的有多个贯通的小通孔8，气穴发生盖板6造成流动液体与气穴发生盖板6上通孔之间具有相对速度的运动，进而在压差的作用下，迫使运动的液体流通过预定方向的通孔喷射出流而在气穴发生盖板6的通过通孔缘脱流，形成局部低压，发生气穴、产生本发明所要求的发散状流束，成为由众多的流束组成流束团而成发散的复杂的两相流场，为使这种流场达到好效果，在吸入液体时及时补入空气，使气穴产生量进一步增多，通过进气阀1，和锥形阀27调整进气量，以达到最终气穴发生效果。

Claims (10)

1、气穴发生泵，采用电机传动的径流叶片泵结构，径流叶轮(7)由前盖板(22)、5-8片流线形弯曲叶片(21)和后盖板(23)组成，叶片(21)在前盖板(22)、后盖板(23)中间均匀分布，三者连为一体，其特征在于，前盖板(22)与后盖板(23)直径不同，直径小者靠近固定在泵体(2)上的气穴发生盖板(6)，气穴发生盖板(6)与在其里面的径流叶轮(7)的叶片(21)之间留有间距，径流叶轮(7)置于泵体(2)和气穴发生盖板(6)构成的压力室(5)中。

2、根据权利要求1所述的气穴发生泵，其特征在于，气穴发生盖板(6)上有多个贯通的小孔(8)，其沿气穴发生盖板(6)的半径均匀分布，随着在气穴发生盖板(6)上半径的增大，小孔(8)的直径逐渐增大。

3、根据权利要求1所述的气穴发生泵，其特征在于，前盖板(22)，是配有进水口的盖板，其中央留叶轮进口(14)与吸入室(11)相通，前盖板(22)的外缘直径小于后盖板(23)的外缘直径，后盖板(23)盖满整个叶片(21)并且依靠叶轮轮毂固定于泵轴上。

4、根据权利要求1所述的气穴发生泵，其特征在于，前盖板(22)中央留有叶轮进口(10)与吸入室(11)相通，前盖板(22)的外缘直径大于后盖板(23)的外缘直径并且盖满叶片(21)，前盖板(22)的直径外缘端部有一与前盖板(22)连成一体的圆环，后盖板(23)依靠叶轮毂固定在泵轴上，泵轴穿过前盖板(22)中央的叶轮进口(10)。

5、根据权利要求1所述的气穴发生泵，其特征在于，电机采用中空轴(13)与叶轮(7)直联，中空轴(13)在叶轮进口(10)部位有4-6个径向开孔(12)，与叶轮进口(10)相通且呈均匀分布。

6、根据权利要求1所述气穴发生泵，其特征在于，电机采用中空的电机轴与中空的泵轴之间配连增速器(18)，中空的泵轴在叶轮进口(10)的部位有4-6个径向均匀分布的开孔(12)与叶轮进口相通。

7、根据权利要求1所述气穴发生泵，其特征在于，电机的尾部装有电磁铁控制的进气阀(1)，与进气阀(1)连通的进气吸入口还装有调节进气量的锥形阀(27)。

8、根据权利要求1所述的气穴发生泵，其特征在于，电机的定子绕组(4)外装有薄壁无磁性的密封套(15)。

9、根据权利要求1所述气穴发生泵提出的一种产生强旋转气穴流体的方法，其特征在于，有压力的高速旋转液体由旋转叶轮吸入液体后产生，该液体流经静止的安放在叶片外的带通孔的板，形成液体与板面上通孔之间具有相对速度的运动，在压差的作用下，迫使液体从要求方向上的通孔喷射出流，由此，通孔边缘的钢性固体就给出流液体施加了一个剪切力，使液体在通孔边缘脱流、形成局部低压，发生气穴，产生要求的流场，这种出流是与盖板里的叶轮叶片流槽中液体的绝对速度大小和方向直接相关，出流速度大小是沿径向增大，方向随绝对速度角度的变动而变动，从而在板外产生带气穴的旋转发散的复杂两相流场。

10、根据权利要求9所述的一种产生强旋转气穴流体的方法，其特征在于，在吸入液体中补充空气，气穴产生量进一步增多。

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