Результат интеллектуальной деятельности: Сепаратор для полидисперсных жидких систем

Изобретение относится к устройствам для разделения жидких полидисперсных систем, в частности к электрооборудованию для сепарирования, и может быть использовано, в нефтяной, пищевой, медицинской и других траслях промышленности, например, для сепарирования нефти на нефтяных месторождениях, для очистки нефти на судовых сепараторах, для сепарирования молока и других полидисперсных жидких систем.

Известен сепаратор для жидкости (авторское свидетельство СССР №1427501, опубл. 30.09.1988 г. Бюл. №36, авторы Гайтов Б.Х., Копелевич Л.Е., Письменный В.Я., Быков Е.А.), содержащий корпус, смонтированный в нем аксиальный статор электродвигателя с обмоткой, вокруг лобовых частей которой установлены замоноличенные компаундом трубки для сепарируемой жидкости, и закрепленный в подшипниках ротор, выполненный в виде барабана сепаратора, выполненного из электропроводящего немагнитного материала, жестко связанного с валом.

Статор электродвигателя в известном из а.с. СССР №1427501 сепараторе расположен под нижней торцовой поверхностью барабана сепаратора. Это позволяет частично использовать выделяемое в барабане тепло для подогрева сепарируемой жидкости, подогрев которой происходит в нижней части барабана сепаратора, расположенной над торцовой поверхностью аксиального статора электродвигателя за счет нагрева части барабана вихревыми токами. Однако, сепарируемая жидкость находится в нижней части барабана сравнительно непродолжительное время. В связи с этим, нагрев сепарируемой жидкости за счет ее соприкосновения с нагреваемой торцовой поверхностью барабана сепаратора происходит сравнительно непродолжительное время.

Кроме того, благоприятное воздействие на сепарируемую жидкость электромагнитного поля, создаваемого аксиальным статором электродвигателя, также незначительно вследствие того, что «основная часть» этого электромагнитного поля рассеивается в днище барабана и в сравнительно узком слое сепарируемой жидкости. Существенным недостатком известного из а.с. СССР №1427501 сепаратора является необходимость обеспечения большого воздушного зазора между магнитопроводом статора и ротором, выполненным в виде барабана сепаратора, так как наличие в конструкции только аксиального статора приводит к тому, что из-за действия осевых электромагнитных сил ротором, выполненным в виде барабана сепаратора, «проседает» по вертикали, оказывая разрушающее действие на опорный подшипник и создавая угрозу механического соприкосновения вращающегося ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, и аксиального статора. Увеличение воздушного зазора между магнитопроводом статора и ротором, выполненным в виде барабана сепаратора, приводит к увеличению магнитного сопротивления, а следовательно - к увеличению тока в обмотке статора, необходимого для создания требуемого магнитного потока (тока намагничивания), то есть к увеличению требуемого сечения проводов обмоток статора и, соответственно, к росту энергопотребления и ухудшению массогабаритных показателей сепаратора.

Известна установка для сепарирования нефти (пат. РФ №2593626, 2016 г., автор Копелевич Л.Е.), содержащая подогреватель нефти и сепаратор, включающий корпус, электропривод, состоящий из электродвигателя, имеющего статор, содержащий аксиальную часть с сердечником и обмоткой, в лобовых частях которой размещены замоноличенные компаундом трубки для охлаждения статора и подогрева нефти, и закрепленный в подшипниках ротор из электропроводящего, немагнитного материала, выполненный в виде барабана сепаратора, при этом статор электродвигателя дополнительно содержит цилиндрическую часть, а обмотки двух частей статора соединены последовательно.

Статор электродвигателя жестко закреплен в корпусе. Цилиндрическая часть статора представляет собой цилиндрический магнитопровод, в пазы которого уложена первая обмотка. Аксиальная часть статора представляет собой аксиальный магнитопровод, в пазы которого уложена вторая обмотка, с внутренним и внешним бандажными кольцами.

Ротор, выполненный в виде барабана сепаратора, жестко закреплен на оси, установленной в подшипниковых опорах, и содержит основание с центральной трубкой, пакет разделительных тарелок, тарелкодержатель, затяжное кольцо с отверстием и соединительную трубку, соединяющую выход трубок для охлаждения статора и подогрева сепарируемого продукта с внутренней частью ротора, выполненного в виде барабана сепаратора.

Однако, известный из пат. РФ №2593626 сепаратор имеет ряд недостатков, а именно: недостаточно высокие энергетические показатели, низкие массогабаритные показатели и низкая надежность.

Существенным недостатком известного из пат. РФ №2593626 сепаратора, являющегося составной частью установки для сепарирования нефти, как и любой электрической машины с аксиальным магнитопроводом, является также наличие большого осевого (аксиального) электромагнитного усилия, вызванного неизбежным притяжением ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, к аксиальному магнитопроводу. Это усилие оказывает разрушающее действие на подшипники, ведет к преждевременному выходу их из строя и создает угрозу механического соприкосновения вращающегося ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, и аксиального магнитопровода. Кроме того, при вращении ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, возможен его перекос относительно аксиального магнитопровода, вызванный большим осевым (аксиальным) электромагнитным усилием. Это также ведет к преждевременному выходу подшипников из строя и возможности соприкосновения ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, с аксиальным магнитопроводом. Это уменьшает надежность сепаратора.

Для исключения возможности возможности соприкосновения ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, с аксиальным магнитопроводом необходимо обеспечить большой воздушный зазор между аксиальным магнитопроводом статора и ротором, выполненным в виде барабана сепаратора.

Кроме того, в известном из пат. РФ №2593626 сепараторе имеет место качание, биение и вибрации ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, внутри цилиндрического магнитопровода сепаратора. Это может привести к соприкосновению вращающегося ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, и цилиндрического магнитопровода. Это также снижает надежность сепаратора и требует обеспечения большого воздушного зазора между ротором, выполненным в виде барабана сепаратора, и цилиндрическим магнитопроводом.

Увеличение воздушного зазора между аксиальным магнитопроводом и барабаном-ротором сепаратора и между цилиндрическим магнитопроводом и барабаном-ротором сепаратора приводит к увеличению магнитного сопротивления, а следовательно - к увеличению тока в обмотках статора, необходимого для создания требуемого магнитного потока (тока намагничивания), то есть к увеличению требуемого сечения проводов обмоток статора и, соответственно, к ухудшению энергетических и массогабаритных показателей сепаратора.

Задачей изобретения является усовершенствование сепаратора, позволяющее повысить его надежность, энергетические и массогабаритные показатели.

Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение воздушного зазора между основанием ротора, выполненным в виде барабана сепаратора, и аксиальным магнитопроводом и боковыми элементами ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, и цилиндрическим магнитопроводом, снижение энергопотребления, уменьшение массы проводов обмоток статора и размеров сепаратора, минимизация вероятности соприкосновения вращающегося ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, с аксиальным и цилиндрическим магнитопроводами.

Технический результат достигается тем, что в сепараторе для полидисперсных жидких систем, содержащем корпус и смонтированные в нем статор электродвигателя и ротор, выполненный в виде барабана сепаратора, при этом статор электродвигателя жестко закреплен в корпусе и содержит цилиндрический магнитопровод, в пазы которого уложена первая обмотка, и аксиальный магнитопровод, в пазы которого уложена вторая обмотка, с внешним бандажным кольцом, в верхней части которого выполняют углубления полусферической формы, в которые укладывают неферромагнитные шарики, при этом первая и вторая обмотки соединены последовательно, их лобовые части обвиты трубками для охлаждения статора и подогрева сепарируемого продукта и замоноличены компаундом, а ротор, выполненный в виде барабана сепаратора, жестко закреплен на оси, установленной в подшипниковых опорах, и содержит пакет разделительных тарелок, тарелкодержатель, затяжное кольцо с отверстием, соединительную трубку, соединяющую внутреннюю часть ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, с выходом трубок для охлаждения статора и подогрева сепарируемого продукта, и основание с центральной трубкой, которое выполняют с кольцевыми канавками полукруглого сечения, посредством которых ротор, выполненный в виде барабана сепаратора, устанавливают с возможностью вращения на неферромагнитные шарики.

Уменьшение воздушного зазора между основанием ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, и аксиальным магнитопроводом и боковыми элементами ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, и цилиндрическим магнитопроводом достигается тем, что в верхней части внешнего бандажного кольца выполняют углубления полусферической формы, в которые укладывают неферромагнитные шарики, а основание ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, выполняют с кольцевыми канавками полукруглого сечения, посредством которых ротор, выполненный в виде барабана сепаратора, устанавливают с возможностью вращения на неферомагнитные шарики. При этом исключается возможность «проседания» ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, по вертикали, что позволяет уменьшить воздушный зазор между основанием ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, и аксиальным магнитопроводом и установить воздушный зазор между основанием ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, и аксиальным магнитопроводом только исходя из максимальных энергетических показателей сепаратора - КПД η и cos ϕ, то есть решить задачу повышения энергетических показателей сепаратора.

Исключение «проседания» ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, по вертикали позволяет снизить не только величину воздушного зазора δ₂ между основанием ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, и аксиальным магнитопроводом, но и величину воздушного зазора δ₁ между цилиндрическим магнитопроводом и образующими цилиндра (боковыми стенками) ротора, выполненного в виде барабана сепаратора. Снижение величин воздушных зазоров δ₁ и δ₂ до расчетных приведет к более «жесткому поведению» ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, что уменьшит его вибрацию и качание относительно вертикальной оси, то есть к снижению вероятности соприкосновения ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, с аксиальным и цилиндрическим магнитопроводами.

Снижение воздушных зазоров до расчетного значения в электрической машине, чем фактически является сепаратор, выполненный по совмещенной схеме (барабан сепаратора одновременно выполняет роль ротора электродвигателя), приведет также к снижению тока намагничивания, и, как следствие, к уменьшению массы проводов обмоток статора и размеров сепаратора, то есть к повышению массогабаритных показателей, а также к повышению энергетических показателей, то есть к снижению энергопотребления.

Благодаря тому, что основание ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, выполнено с кольцевыми канавками полукруглого сечения, посредством которых ротор, выполненный в виде барабана сепаратора, устанавливают с возможностью вращения на неферромагнитные шарики, которые устанавливают в углубления полусферической формы, которое выполняют в верхней части внешнего бандажного кольца, то вибрация ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, по вертикали и по горизонтали снижается. Это минимизирует вероятность соприкосновения вращающегося ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, с аксиальным и цилиндрическим магнитопроводами, что позволяет повысить надежность конструкции сепаратора.

Таким образом, совокупность преложенных признаков позволяет достичь заявленного технического результата.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого сепаратора для полидисперсных жидких систем.

Сепаратор для полидисперсных жидких систем (фиг. 1) содержит корпус 1 и смонтированные в нем статор электродвигателя и ротор 7, выполненный в виде барабана сепаратора. Статор электродвигателя жестко закреплен в корпусе 1 и содержит цилиндрический магнитопровод 2, в пазы которого уложена первая обмотка 3, и аксиальный магнитопровод 6, в пазы которого уложена вторая обмотка 5, с внешним бандажным кольцом 11. В верхней части бандажного кольца 11 выполнены углубления 12 полусферической формы, в которые уложены неферромагнитные шарики 13. Первая 3 и вторая 5 обмотки соединены последовательно, их лобовые части обвиты трубками 4 для охлаждения статора и подогрева сепарируемого продукта и замоноличены компаундом. Ротор 7, выполненный в виде барабана сепаратора, жестко закреплен на оси 8, установленной в подшипниковых опорах 9 и 10, и содержит пакет разделительных тарелок 16, тарелкодержатель 17, затяжное кольцо 18 с отверстием, соединительную трубку 20, соединяющую внутреннюю часть ротора 7, выполненного в виде барабана сепаратора, с выходом трубок 4 для охлаждения статора и подогрева сепарируемого продукта, и основание 15 с центральной трубкой 19, выполненное с кольцевыми канавками 14 полукруглого сечения, посредством которых ротор 7, выполненный в виде барабана сепаратора, установлен с возможностью вращения на неферромагнитные шарики 13.

Сепаратор для полидисперсных жидких систем работает следующим образом. При подаче напряжения на последовательно соединенные первую 3 и вторую 5 обмотки, уложенные в пазы аксиального 6 и цилиндрического 2 магнитопроводов, соответственно, возникает вращающееся магнитное поле, которое наводит вихревые токи в жестко связанном с осью 8, установленной в корпусе 1 в подшипниковых опорах 9 и 10, роторе 7, выполненном в виде барабана сепаратора. Взаимодействие вращающегося магнитного поля, созданного током, протекающим в первой 3 и второй 5 обмотках, и магнитного поля, созданного вихревыми токами в роторе 7, выполненном в виде барабана сепаратора, приводит к возникновению вращающего момента, под действием которого ротор 7, выполненный в виде барабана сепаратора, приходит во вращение вокруг оси 8, опираясь кольцевыми канавками 14 полукруглого сечения, выполненными в основании 15 ротора 7, выполненного в виде барабана сепаратора, на неферромагнитные шарики 13, которые уложены в углублениях 12 полусферической формы, выполненных в верхней части внешнего бандажного кольца 11. Сепарируемый продукт подается на вход трубок 4, которыми обвиты лобовые части первой 3 и второй 5 обмоток. Проходя по трубкам 4, сепарируемый продукт подогревается за счет тепловыделения в первой 3 и второй 5 обмотках. Подогреваясь в трубках 4, сепарируемый продукт одновременно охлаждает аксиальный 6 и цилиндрический 2 магнитопроводы, а также первую 3 и вторую 5 обмотки. При выходе из трубок 4 сепарируемый продукт по соединительной трубке 20 подается в барабан, в виде которого выполнен ротор 7, и через центральную трубку 19 попадает в днище барабана, в виде которого выполнен ротор 7, а затем в каналы тарелкодержателя 17. Находясь в нижней части барабана, в виде которого выполнен ротор 7, сепарируемый продукт дополнительно подогревается за счет тепловыделения в торцовой и боковых частях барабана, в виде которого выполнен ротор 7, приобретая, тем самым, необходимую для сепарирования температуру. Кроме того, находясь в нижней части барабана, в виде которого выполнен ротор 7, сепарируемый продукт подвергается положительному воздействию электромагнитного поля, создаваемого токами, протекающими в первой 3 и второй 5 обмотках, уложенных соответственно в пазах аксиального 6 и цилиндрического 2 магнитопроводах. Процесс сепарирования происходит в пакете разделительных тарелок 16. Продукты сепарирования (в т.ч. очищенный сепарируемый продукт) выводятся из барабана, в виде которого выполнен ротор 7, через отверстие в затяжном кольце 18.