CN107899765A - 一种基于空气轴承的高速旋转雾化器 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于空气轴承的高速旋转雾化器，包括有高速电机、耐磨雾化轮、盖型螺母和高速旋转接头；高速电机包括高速电机机壳、高速电机定子、高速电机转子、高速电机主轴、一系列支撑和引导主轴的径向动压空气轴承和止推动压空气轴承；高速电机机壳与外界法兰盘连接，为高速离心雾化器提供支持；高速电机定子安装于高速电机机壳内部；高速电机转子通过热装或者涨心方法，套在高速电机主轴上；径向动压空气轴承起到支撑和缓冲作用；止推动压空气轴承对高速电机主轴提供轴向的支撑和引导；高速电机主轴下端以锥度连接耐磨雾化轮，并用盖型螺母封闭和锁定；高速旋转接头的旋转端与进料管连接，高速旋转接头的旋转段通过螺纹固定在高速电机主轴上端。

Description

一种基于空气轴承的高速旋转雾化器

技术领域

本发明涉及供在喷雾干燥或脱硫脱酸中使用的旋转雾化器，特别涉及一种使用动压空气轴承的新型高速旋转雾化器。本发明还涉及用于雾化器系统中的一种新颖的进料方式。

背景技术

在浆液雾化的过程中，其雾化方式主要有两种：一个为喷嘴雾化，另一个为旋转雾化。喷嘴雾化通常通过单路流体压力喷嘴或者双路流体喷嘴来进行，于此同时，包含雾化轮的旋转雾化则适用于各种各样的应用场合。在旋转雾化器中，浆液被引导至雾化轮中。由于雾化轮的高圆周速度，液体在空气和浆液之间的摩擦作用之下，在雾化轮的表面发生分解，呈薄膜状从雾化轮的通道或者孔口流出。液体雾化后液滴的样式取决于以下几个因素，例如液体性质，雾化轮的速度和配置等等。一般旋转雾化器的运行速度范围为5000rpm至25000rpm，有些时候可能会更低，能低到3000rpm，有些时候会更高，高达350000rpm。雾化轮的直径通常为5cm至50cm。若干种不同尺寸和配置的旋转雾化器可以用于乳制品、精细化工、制药、卫生食品加工和重型化学加工等领域的产品加工。旋转雾化器的应用范围可以从最小的，用空气驱动的实验室用型号，处理量为1-10公斤/小时，到最大用1000kw电机驱动的商用型号，其可以处理超过200吨/小时的液体进料量。旋转雾化器的雾化轮可由普通电机通过齿轮箱或者皮带增速驱动,也可由高速电机直接驱动。

在处理食品、乳制品和药品的雾化干燥工艺中，污染是不可以接受的。因此，在这种场合下使用下的旋转雾化器，必须采取必要的防范措施，比如采用密封的脂润滑轴承。采用密封的脂润滑轴承之后，雾化器的工作时间不仅仅取决于污染的风险，也取决于脂润滑轴承的磨损和润滑脂失效导致的轴承失效。由于在旋转雾化器中，把浆液雾化的能量来源于雾化轮的高速旋转，这也就意味着，旋转雾化器需要高转速来提供相应的能量。因此，所用的轴承也必须在高转速下工作，会导致轴承的寿命急剧下降。实际上，即使花费大量的精力在设计轴承及检测轴承温度上，轴承的预期寿命也是非常有限的。这会导致为了预防机器出现故障损坏雾化器本身或者生产出劣质产品，而增加额外的停机时间来进行额外的检测和检查雾化器部件状态。

发明内容

在这样的背景之下，本发明提供了一种基于空气轴承的新型高速旋转雾化器，可以提供一种安全，无污染和成本可控的方式来雾化料液，用于生产和处理食品、乳制品和药品，也可用于化学加工和大气处理领域。本发明还提供了一种用于雾化器系统中的一种新颖的进料方式，取消了传统旋转雾化器中的料液分配器，简化雾化器结构，缩短了轴系长度，提高了高速旋转雾化器的许用转速。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

本发明为一种基于空气轴承的高速旋转雾化器，部件包括有高速电机1、耐磨雾化轮2、盖型螺母3和高速旋转接头4。

高速电机1包括高速电机机壳101、高速电机定子102、高速电机转子103、高速电机主轴104、一系列支撑和引导主轴的径向动压空气轴承105和止推动压空气轴承106。

高速电机机壳101与外界法兰盘连接，为高速离心雾化器提供安装支持。高速电机机壳101内部依据轴系设计安装高速电机定子102、径向动压空气轴承105和止推动压空气轴承106，同时也包含高速旋转雾化器正常工作所需要的气液通道。

高速电机定子102安装于高速电机机壳101内部，高速电机定子102和高速电机转子103可以采用高频异步电机，也可以采用永磁电机；高速电机定子102的冷却方式既可以采用水冷，也可以采用气冷。

高速电机转子103根据设计不同，采用异步或者同步转子。高速电机转子103通过热装或者涨心方法，套在高速电机主轴104上。

高速电机主轴104有三个部位，分别是下轴承支撑段141、上轴承支撑段142和止推轴承支撑段143；下轴承支撑段141和上轴承支撑段142位于高速电机转子103两侧，止推轴承支撑段143位于上轴承支撑段142的上部，是一段直径较大的止推盘，一般为轴径的2-5倍。

径向动压空气轴承105由三个部分组成，顶箔105a，波箔105b和轴承座105c。顶箔105a在轴承最内部，直接与高速电机主轴104接触；波箔105b在顶箔105a和轴承座105c中间，起到弹性支撑和缓冲作用。顶箔105a和波箔105b的典型材料包括金属，合金，非金属材料。顶箔105a与高速电机主轴104接触的那一面可以喷涂或者以其它表面处理方法镀一层耐磨减磨涂层，以提供合适的摩擦表面。

在实际工作中，由于空气的黏性作用，在高速电机主轴104与顶箔105a之间会形成一层薄薄的高压空气膜，支撑高速电机主轴104径向动压空气轴承105在下轴承支撑段141和上轴承支撑段142部位对高速电机主轴104提供径向的支撑和引导；

止推动压空气轴承106由若干个止推块组成，每个止推块由顶箔106a，波箔106b和轴承座106c组成；止推动压空气轴承106在止推轴承支撑段143部位对高速电机主轴104提供轴向的支撑和引导。止推动压空气轴承106的原理与径向动压空气轴承105的原理一致，在此不做重复阐述。止推动压空气轴承106的形式不局限与附图中的样式，只要能提供合适的变形和阻尼特性，就可以应用到本发明当中。

耐磨雾化轮2为高速旋转雾化器的工作部件，通常由盘体和耐磨喷嘴组成。耐磨雾化轮2与高速电机主轴104通过锥面配合，并使用盖型螺母3锁定。耐磨雾化轮2的转速应根据产品和工艺的不同特性来选择，通常在10000rpm至40,000rpm，实际生产中，转速优选15,000rpm至25,000rpm。耐磨雾化轮2的直径其雾化轮的线速度为50米/秒至400米/秒。本申请所指的高速只要大于3000rpm即可。

盖型螺母3通过螺纹来锁定耐磨雾化轮2，防止耐磨雾化轮2在工作中松脱。

高速旋转接头4的旋转端与进料管连接，高速旋转接头4的旋转段通过螺纹固定在高速电机主轴104上端，高速电机主轴104下端以锥度连接耐磨雾化轮2，并用盖型螺母3封闭和锁定。

一种利用基于空气轴承的新型高速旋转雾化器的进料方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：料液通过高速旋转接头4的中心流道4a进入高速电机主轴104的中心流道104a。

步骤二：料液通过中心流道104a到达主轴104下端，在此过程中，料液由于离心力的作用均匀分布于流道截面中。

步骤三：料液在主轴104下端，在离心力的作用下均匀的通过若干个通孔104b进入耐磨雾化轮2，而后进一步被耐磨雾化轮2雾化。

步骤四：外界高压气体通过通路107引入雾化轮上方以及高速电机机壳与主轴的空隙中，给雾化轮以及高速电机提供密封和屏蔽。

这种进料方式创新性的利用主轴本身当做料液分配器，省去了传统旋转雾化器中的料液分配器，简化了雾化器的结构和通道，降低了制造成本；与此同时，料液分配器的消失也使得本发明所述的高速电机主轴得以缩短，从而可以提高转速，提高雾化质量；更进一步，料液可以通过中心流道把转子和轴承产生的热量传递出去，使得高速电机的冷却条件得到大幅改善，提高了高速电机的使用寿命。

本发明一种基于空气轴承的新型高速旋转雾化器采用高速电机直驱雾化轮的形式，主要部件包括高速电机、雾化轮和高速旋转接头。高速电机采用动压空气轴承来支撑其轴系。动压空气轴承已经被证明适用于高速旋转的机械，比传统轴承拥有更小的摩擦功耗。因此，轴承的使用寿命得到延长，更换成本得以降低。动压空气轴承的另一个优势是润滑介质为空气或者其它工艺气体，比如惰性气体，使得高速旋转雾化器不需要润滑油或润滑脂。

在本发明的第二方面，所述的高速旋转雾化器采用轴心进料的方式，省去了料液分配器。雾化器的高速电机主轴为空心轴，上端连接高速旋转接头，下端以锥度连接雾化轮，并用盖型螺母封闭和锁定。主轴在雾化轮处开有若干对称通孔，使得主轴内部和雾化轮内部联通。高速旋转接头与是一种可以在高速旋转的状态下传递压缩空气液压油,水,润滑脂等介质的装置。浆液通过高速旋转接头进入高速电机主轴内部，在离心力的作用下均匀的从通孔中喷出，进入雾化轮，而后进一步被雾化轮雾化。由此，省去了传统旋转雾化器中的料液分配器，简化了雾化器的结构和通道，降低了制造成本；与此同时，料液分配器的消失也使得本发明所述的高速电机主轴得以缩短，从而可以提高转速，提高雾化质量；更进一步，料液可以通过中心流道把转子和轴承产生的热量传递出去，使得高速电机的冷却条件得到大幅改善，提高了高速电机的使用寿命。

在本发明的第三方面，本发明的高速电机可以采用高频异步电机，也可以采用永磁电机；高速电机定子的冷却方式既可以采用水冷，也可以采用气冷。雾化轮的旋转速度根据产品的特性来决定，通常在10000rpm至40,000rpm，实际生产中，转速优选15,000rpm至25,000rpm。雾化轮的圆周速度取决于雾化轮的直径和转速，通常在50m/s to 400m/s。

在本发明的其它方面，一股高压气体从外界引入到雾化轮上方以及高速电机机壳与主轴的空隙中。这股高压气体可以阻止雾化轮吸入热空气和混有产品的空气到雾化轮上方，防止因为产品固化在雾化轮表面引起的雾化轮不平衡。与此同时，这股气体正好隔绝了高速电机内部与外界雾化空间的联通，防止浆液、带产品的气体或者含酸气体进入高速电机内部腐蚀或者磨损动压空气轴承或者高速电机部件，保障了旋转雾化器高速电机内部的工作条件，提高了旋转雾化器的使用寿命。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

(1)：本发明采用动压空气轴承来支撑所述高速旋转雾化器的轴系。动压空气轴承对监控和检查的需求比较低，并且更换轴承的周期比传统轴承更长，可以有效降低雾化器的维护成本。此外，动压空气轴承采用空气或者工艺气体作为润滑介质，可以从根本上消除雾化的料液被污染的风险。这在处理食品、乳制品和药品的生产工艺中拥有巨大的优势。

(2)：本发明采用轴心进料的方式，省去了传统旋转雾化器中的料液分配器，简化了雾化器的结构和通道，降低了制造成本；与此同时，料液分配器的消失也使得本发明所述的高速电机主轴得以缩短，配合动压空气轴承的优异的阻尼特性，旋转雾化器的轴系可以当成柔性转子，在高于一阶转速的情况下运行，从而可以大大提高雾化器的转速，提高雾化质量；更进一步，高速电机的冷却条件得到了提升，延长了高速电机的使用寿命。

(3)：本发明为大功率高速电机直驱雾化轮，整体结构简单，体积小，重量轻，运行更加可靠。

附图说明

图1是本发明的高速旋转雾化器的示意图。

图2是本发明的高速旋转雾化器轴系的剖面示意图。

图3和图4是适用于本发明的一种径向动压空气轴承和一种止推动压空气轴承的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进一步说明，在以下说明中，不详细描述众所周知的功能或构造。

图1是本发明的示意图，本发明为一种基于空气轴承的新型高速旋转雾化器，主要部件有高速电机1、耐磨雾化轮2、盖型螺母3和高速旋转接头4。高速电机包括高速电机机壳101，高速电机定子102，高速电机转子103，高速电机主轴104，一系列支撑和引导主轴的径向动压空气轴承105和止推动压空气轴承106。耐磨雾化轮2与高速电机主轴104通过锥面配合，并使用盖型螺母3锁定。高速旋转接头4与高速电机主轴104通过螺纹连接，安置在高速旋转雾化器上方。

高速电机主轴分为三个部位，下轴承支撑段141和上轴承支撑段142位于高速电机转子103两侧，止推轴承支撑段143位于上轴承支撑段142的上部，是一段直径较大的止推盘。

径向动压空气轴承105在下轴承支撑段141和上轴承支撑段142对高速电机主轴104提供径向的支撑和引导，止推动压空气轴承106在止推轴承支撑段143对高速电机主轴104提供轴向的支撑和引导。

图2是本发明轴系的剖面示意图，高速电机转子103通过热装或者涨心方法，套在高速电机主轴104上。高速旋转接头4通过螺纹固定在高速电机主轴104上端，高速电机主轴104下端以锥度连接耐磨雾化轮2，并用盖型螺母3封闭和锁定。料液通过高速旋转接头4的中心流道4a进入高速电机主轴104的中心流道104a，料液通过中心流道104a到达主轴下端，在离心力的作用下均匀的通过若干个通孔104b进入耐磨雾化轮2，而后进一步被耐磨雾化轮2雾化。

高速电机定子102和高速电机转子103可以采用高频异步电机，也可以采用永磁电机；高速电机定子102的冷却方式既可以采用水冷，也可以采用气冷。

如图1所示，一股外界高压气体通过通路107引入雾化轮上方以及高速电机机壳与主轴的空隙中，给雾化轮以及高速电机提供密封和屏蔽。

耐磨雾化轮2的转速应根据产品和工艺的不同特性来选择，通常在10000rpm至40,000rpm，实际生产中，转速优选15,000rpm至25,000rpm。本发明中的高速电机轴系，可以根据需求，设计成工作转速低于其一阶转速的刚性轴系，也可以设计成工作转速高于其一阶转速的柔性轴系。

图3是适用于本发明的一种径向动压空气轴承的示意图，用来阐述径向动压空气轴承的工作原理。径向动压空气轴承105由三个部分组成，顶箔105a，波箔105b和轴承座105c。如图3所示，顶箔105a在轴承最内部，直接与高速电机主轴104接触；波箔105b在顶箔105a和轴承座105c中间，起到弹性支撑和缓冲作用。在实际工作中，由于空气的黏性作用，在高速电机主轴104与顶箔105a之间会形成一层薄薄的高压空气膜，支撑高速电机主轴104。

图4是适用于本发明的一种止推动压空气轴承的原理草图，用来阐述止推动压空气轴承的工作原理。如图4所示，止推动压空气轴承106由若干个止推块组成，每个止推块由顶箔106a，波箔106b和轴承座106c组成。止推动压空气轴承的原理与径向动压空气轴承的原理一致，在此不做重复阐述。

动压空气轴承的材料选择由本领域的技术人员确定即可。顶箔和波箔的典型材料包括金属，合金，非金属材料。顶箔与主轴接触的那一面可以喷涂或者以其它表面处理方法镀一层耐磨减磨涂层，以提供合适的摩擦表面。动压空气轴承的形式不局限与附图中的样式，只要能提供合适的变形和阻尼特性，就可以应用到本发明当中。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明包含范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于空气轴承的高速旋转雾化器，其特征在于：包括有高速电机、耐磨雾化轮、盖型螺母和高速旋转接头；

高速电机包括高速电机机壳、高速电机定子、高速电机转子、高速电机主轴、一系列支撑和引导主轴的径向动压空气轴承和止推动压空气轴承；

高速电机机壳与外界法兰盘连接，为高速离心雾化器提供安装支持；高速电机机壳内部依据轴系设计安装高速电机定子、径向动压空气轴承和止推动压空气轴承，同时也包含高速旋转雾化器正常工作所需要的气液通道；

高速电机定子安装于高速电机机壳内部；

高速电机转子通过热装或者涨心方法，套在高速电机主轴上；

高速电机主轴有三个部位，分别是下轴承支撑段、上轴承支撑段和止推轴承支撑段；下轴承支撑段和上轴承支撑段位于高速电机转子两侧，止推轴承支撑段位于上轴承支撑段的上部；

径向动压空气轴承由三个部分组成，第一顶箔、第一波箔和第一轴承座；第一顶箔在轴承最内部，直接与高速电机主轴接触；第一波箔在第一顶箔和第一轴承座中间，起到弹性支撑和缓冲作用；

止推动压空气轴承由若干个止推块组成，每个止推块由第二顶箔、第二波箔和第二轴承座组成；止推动压空气轴承在止推轴承支撑段部位对高速电机主轴提供轴向的支撑和引导；

耐磨雾化轮为高速旋转雾化器的工作部件，由盘体和耐磨喷嘴组成；高速电机主轴下端以锥度连接耐磨雾化轮，并用盖型螺母封闭和锁定；

盖型螺母通过螺纹来锁定耐磨雾化轮，防止耐磨雾化轮在工作中松脱；

高速旋转接头的旋转端与进料管连接，高速旋转接头的旋转段通过螺纹固定在高速电机主轴上端。

2.根据权利要求1所述的一种基于空气轴承的高速旋转雾化器，其特征在于：高速电机定子和高速电机转子采用高频异步电机或者永磁电机。

3.根据权利要求1所述的一种基于空气轴承的高速旋转雾化器，其特征在于：高速电机定子的冷却方式采用水冷或者气冷。

4.根据权利要求1所述的一种基于空气轴承的高速旋转雾化器，其特征在于：高速电机转子采用异步或者同步转子。

5.根据权利要求1所述的一种基于空气轴承的高速旋转雾化器，其特征在于：止推轴承支撑段是一段直径大的止推盘，为轴径的2-5倍。

6.根据权利要求1所述的一种基于空气轴承的高速旋转雾化器，其特征在于：第一顶箔和第一波箔的材料为金属、合金及非金属材料。

7.根据权利要求1所述的一种基于空气轴承的高速旋转雾化器，其特征在于：第一顶箔与高速电机主轴接触的那一面喷涂一层耐磨减磨涂层，提供摩擦表面。

8.根据权利要求1所述的一种基于空气轴承的高速旋转雾化器，其特征在于：在高速电机主轴与第一顶箔之间会形成一层薄的高压空气膜，支撑高速电机主轴径向动压空气轴承在下轴承支撑段和上轴承支撑段部位对高速电机主轴提供径向的支撑和引导。

9.根据权利要求1所述的一种基于空气轴承的高速旋转雾化器，其特征在于：耐磨雾化轮的转速在10000rpm至40,000rpm；耐磨雾化轮2的直径其雾化轮的线速度为50米/秒至400米/秒。

10.一种利用权利要求1所述的基于空气轴承的新型高速旋转雾化器的进料方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：料液通过高速旋转接头的中心流道进入高速电机主轴的中心流道；

步骤二：料液通过中心流道到达主轴下端，在此过程中，料液由于离心力的作用均匀分布于流道截面中；

步骤三：料液在主轴下端，在离心力的作用下均匀的通过若干个通孔进入耐磨雾化轮，而后进一步被耐磨雾化轮雾化；

步骤四：外界高压气体通过通路引入雾化轮上方以及高速电机机壳与主轴的空隙中，给雾化轮以及高速电机提供密封和屏蔽。