[发明专利]轴流式叶轮

说明书

本发明涉及一种造成轴流的搅拌叶轮，更特别的是涉及一种在贮液罐中使用的一搅拌叶轮，此叶轮用于低或中粘度液体的混合，还用于在低或中粘度液体中的液滴或颗粒分散。

在叶轮轴的方向上能排出流体的搅拌叶轮(以下称作“轴流式叶轮”)通常用来搅拌流体，如低或中粘度液体的混合及在低或中粘度液体中的液滴或颗粒分散。

这种叶轮能以较小的扭矩提供较大的排放流量，并且其能量消耗比其它叶轮少，因此在设备成本和操作成本方面是有经济优势的。

对于这种叶轮，通常使用倾斜的桨翼叶轮和螺旋桨。倾斜的桨翼叶轮能够以最低的成本最容易地制造出来，但与螺旋桨相比，它们需要较大的扭矩和更多的能量来获得流量，即它们的排出率低。还已知倾斜的桨翼叶轮根据倾斜角在轴向流和径向流之间产生中间流态。

如果以这样一种方式制造叶轮叶片，即改变一翼型剖面从前缘至后缘的厚度，像船舶螺旋桨叶片那样，可以获得高排出率。但随之而来的是制造成本变得相当高。另一方面，已使用的制造方法是用一模具把均匀厚度的叶轮叶片弯曲成一曲面，而该曲面在径向上具有不变的倾斜高度。已提出了提高升阻比的方法，其中将叶片扭转以使相连的流动角度在这些叶片的每个径向位置处保持不变。为了进一步提高升阻比，使叶轮叶片截面在从它们的前缘至后缘的部分内具有适当的曲率。由于这些螺旋桨基本上是用模具进行制造的，所以对于不同尺寸的叶轮必须制作不同的模具。在叶轮小且能批量生产时，它们能用此方法经济地制造出来，但制作用于各种大尺寸的叶轮的模具是相当昂贵的。

如下描述的各种轴流式叶轮是公知的。

美国专利NO.5052892公开了一种用于传递曲率效果的技术，它是通过把此倾斜的桨翼叶轮的叶片21沿径向中心线弯曲，如在图19中所示，来提高排出率和叶片的机械强度。在所述专利中，描述的这些叶片最好应是均匀宽度的板，且最好应有25～30°的平均倾斜角，并且其折痕最好应是在此叶片顶端相交的两个折痕，而且整个折痕角最好应是20～30°(以下称作“传统叶轮A”)。

在美国专利NO.4468130中，如图20所示，公开了通过调节从叶片22的顶端至根部的曲率和倾斜角，能使最大排出率达到将发生分流的临界值，并且描述了具体例子，此曲率的变化从顶端叶片宽度的8％至根的0％不等，并且倾斜角的变化从顶端的22°至根部的38°。此叶片宽度将是叶轮直径的1/8，并且在顶端侧稍窄在根部侧稍宽。根据该专利，所描述的叶轮比螺旋桨价廉，但需要同步形成曲率连续变化的弯曲和扭转，并且认为为了获得精确的制造对于叶轮的每个尺寸均需要不同的模具(以下称作“传统叶轮B”)。

另外，德国专利申请NO.373042中，如图21所示，设法通过把副叶片24在轴向上与一主叶片23相连来提高排出率。由于用这种方法附加副叶片同样增加了扭矩和能量的消耗，所以认为使扭矩和能量消耗增加的过多的流量增量是由图21的叶轮产生的。但因为主叶片是一简单倾斜的桨翼，如图21所示，所以即使提高它的排出率也很难获得与螺旋桨等同的效率，(以下称作“传统叶轮C”)。

再者，英国专利NO.1454277公开了适当切割圆柱表面能产生一具有曲率为叶片宽度的5～15％和在径向上几乎不变的倾斜高度的叶片(以下称作“传统叶轮D”)。

总之，对于轴流式叶轮搅拌器而言，所需要的是降低设备成本和操作成本并且能获得专门的搅拌目的。尤其是，在一低粘性液体的混合或固体颗粒的分散中，搅拌器的性能经常是由排出流量或流动速度和排出流量的乘积来决定的，并且需要能以低成本制作和具有高排出率的轴流式叶轮。

根据Nagase和Winardi的研究(日本化学工程期刊，Vol.24 NO.2,PP.243-249(1991))，当在搅拌罐中使用船舶螺旋桨时，在涡轮或倾斜的翼桨叶轮的情况下流量是不稳定的，并且已经得知：在叶轮附近的排出流，其圆周流速脉动竟达其量值的两倍。涡流量大到20～50％。因此，叶轮的进流和出流周期性的变化这一事实不仅提出了问题，即保持此流动倾斜角不变的这样一种螺旋桨设计方法是否真能提高搅拌叶轮的排出率，而且还在轴流式叶轮的设计方法上持同样观点，这里采用机翼或水翼理论提高它们的性能。这是因为翼型(翼形物)理论研究的流动是流线型均匀流动，并且这与在搅动罐中的流动有很大不同。

轴流式叶轮包括螺旋桨的性能设计中的重点在于怎样在径向上分配叶片宽度，倾斜角和曲率，以便获得最大排出率。最可靠的技术是改变这些特征的每一个，并且测量排出率来优选特征。但在此类研究方面几乎没有报告。