本发明涉及由转筒旋转形成涡流剪切空化的机械设备技术领域，尤其涉及一种旋转齿筒式水力空化器。
背景技术：
在一定温度下，液体中由于局部低压(低于相应温度下该液体的饱和蒸汽压)使液体蒸发而引起的微汽泡爆发性生长的现象称为空化初生，当液体压力回复时，汽泡群溃灭。空化泡在溃灭时瞬间产生巨大能量从而在流体中产生强大的剪切力，剪切力可使大分子主链上的碳键断裂，同时破坏微生物细胞壁，从而使得高分子有机物降解和使微生物失活。这种液体中汽泡群生长、发展和溃灭的过程并由此发生的一系列物理、化学反应称为空化。可应用于生化工程、石油工程、环保工程等方面。
综合现有的科研成果发现，现有的定转子式空化器空化机理单一，如us20050042129a1，cn109796061a，cn109821434a，cn109821435a，cn109824174a，cn109824175a，cn109824176a，cn109824218a，cn109824226a，cn109824136a，cn109824137a，cn109824138a，cn109855316a，cn109761225a，cn109845818a，cn109761225a，cn109761229a，cn109855165a主要以离心力产生空化，且空化器内对流性并不好，液体进入盲孔后不易流出，大部分液流无法得到空化处理便被排出。cn109824216a，cn109824217a在转子盲孔内开有螺旋槽，增强了对流性，但并无轴向输料作用。其他定转子式空化器，如cn106669481a，cn108114682a，此两项专利为定转子式齿盘空化器，对流性好，但空化率低，如果要增加剪切次数只能通过增加齿圈，这会使传动轴过载，有一定的限制性，不能灵活的改变空化处理层数。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术之不足，本发明提供一种通过转筒旋转实现自动吸料，液流通过径向齿间间隙的节流层受到节流剪切作用，在轴向齿间及径向齿间得以释放，形成空泡后溃灭，增强了物料的对流性，提高了处理效率的一种旋转齿筒式水力空化器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种旋转齿筒式水力空化器，包括驱动机构、静筒和转筒，所述的转筒设置在静筒内，所述驱动机构输出端与转筒传动连接，所述的静筒与转筒轴线重合，所述的静筒前端中心位置处具有中心进料口、后端中心偏下方位置处则具有偏心出料口，所述的静筒为圆柱形且静筒内壁上等距分布有定齿，所述的转筒也为圆柱形且转筒外壁上等距分布有动齿，且所述的定齿与动齿之间具有间隙，该间隙形成剪切区域；所述的定齿螺旋排布在静筒内壁上，所述的定齿与动齿排布规律一致，定齿与动齿相对运动时形成将中心进料口的物料经过剪切区域剪切空化并运送至偏心出料口的螺旋面。
在上述方案中，随着转动旋转，依靠动齿与定齿形成的螺旋面，可实现自动吸料，同时由于螺旋面的存在，可将物料从顺着螺旋面，从上一个动齿与定齿之间的间隙输送至下一个动齿与定齿之间的间隙，输送过程中持续发生高强度空化，打断分子链，从而实现乳化分散、抑菌杀菌、废水处理等功能。
进一步的，所述的定齿相对于静筒轴向螺旋排布在静筒内壁上，即静筒内壁沿静筒轴向等间距排布有若干圈定齿，每圈定齿所形成的平面均与静筒径向平面平行，沿中心进料口位置至偏心出料口位置方向，每圈定齿之间沿静筒圆周方向依次旋转具有螺旋角α，螺旋角α的角度范围为-30°～30°。
进一步的，所述的定齿相对于静筒径向平面呈螺旋排布在静筒内壁上，即静筒内壁沿静筒轴向等间距排布有若干条定齿，每条定齿所成的直线与静筒轴向平行，每条定齿沿静筒轴向依次旋转具有螺旋升角β，螺旋升角β的角度范围为-30°～30°。
进一步的，所述的定齿与动齿的齿形为等中心角的扇形齿或等齿宽的矩形齿或圆柱形齿或带有齿顶楔角γ的梯形齿；所述的带有齿顶楔角γ的梯形齿的齿顶楔角γ的角度范围为-30°～30°。等中心角的扇形齿可以使空化器内汽含率随旋转时间呈正弦周期性变化，通过模拟计算，得出等齿宽矩形齿比等中心角扇形齿空化率更高，但不呈周期性变化。圆柱形齿可以增加齿间间隙体积，提高了齿间对流性，不易出现短路现象。带有齿顶楔角的梯形齿结构使负压区域移动至倾角扩散区域增大了负压区域面积，从而提高空化效率。在本方案中，角度范围中角度的正负代表方向，考虑到角度过大时齿顶附近强度不够，限制最大角度为30°。
进一步的，所述的静筒圆周方向的定齿数与转筒圆周方向的动齿数之比为1～1.5。静筒安装于转筒外部，因此静筒内圆面周长大于转筒外圆面，可增加齿数以增大剪切面积，但齿数过多会使定齿周向间隙减少，从而减少了空化充分发展的空间，空化效率会降低。
进一步的，由于旋转时，动齿的齿前压力大于齿后压力，周向厚度会影响齿的强度，所述的定齿的周向厚度与齿高之比为0.5～1.5，所述的动齿的周向厚度与齿高之比为0.5～1.5。
进一步的，所述的定齿的轴向厚度与周向厚度之比为0.8～1.2，所述的动齿的轴向厚度与周向厚度之比为0.8～1.2。该参数影响的是矩形齿形状，正方形齿空化率最高，但可根据具体加工情况或特殊要求改变参数，给出的范围限制在齿的安全强度之内。
进一步的，所述的定齿轴向间距为定齿轴向厚度的0.25～2倍，所述的动齿轴向间距为动齿轴向厚度的0.25～2倍。每层动定齿圈与下一层齿圈之间的区域也为空化泡初生、发展和溃灭的区域，距离短即相当于在原有长度上增加齿圈的密度，可以增加周向齿间隙内的空化，成本高效率高；距离长则选择轴向间隙为主要空化区域，成本低，效率低。
进一步的，所述的定齿与动齿的齿高之比为0.5～1。定齿间贴近壁面处有一部分液体会不经空化直接滑进下一齿圈，将定齿齿高降低可以避免这种现象发生，但同时空化效率也会降低，在实际选型中需要综合两种影响因素，定齿与动齿齿高之比为0.8为最优解。
进一步的，所述的定齿的周向间距为定齿周向齿厚的0.7～1.3倍，所述的动齿的周向间距为动齿周向齿厚的0.7～1.3倍。定齿与动齿的周向间隙空间是空化初生和溃灭的重要区域，间隙太小，空化泡没有充分发展的空间，间隙太大，剪切面积不够，会使效率降低。
本发明的有益效果是，本发明提供的一种旋转齿筒式水力空化器，结构设计合理，螺旋面排列的齿结构，通过转筒旋转实现自动吸料，可实现自动吸料和物料输送；液流通过径向齿间间隙的节流层受到节流剪切作用，在轴向齿间及径向齿间得以释放，形成空泡后溃灭，增强了物料的对流性，提高了处理效率，空化器的进出口可根据需要互换位置，改变输送料方向，同时螺旋面排列的齿结构可通过两个方向的铣刀加工而成，加工成本低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明最优实施例的结构示意图。
图2是本发明最优实施例空化器沿x轴的剖视图。
图3是本发明最优实施例空化器沿z轴的剖视图。
图4是本发明最优实施例空化器中齿形为等齿宽矩形齿的结构示意图。
图5是本发明最优实施例空化器中齿形为动齿带有齿顶楔角γ、定齿为等齿宽矩形齿的结构示意图。
图6是本发明最优实施例空化器中齿形为定齿带有齿顶楔角γ、动齿为等齿宽矩形齿的结构示意图。
图7是本发明最优实施例空化器中齿形为定动齿均带有齿顶楔角γ的结构示意图。
图8是本发明最优实施例空化器中螺旋面设置为相对于静筒轴向螺旋时的转筒的结构示意图。
图9是本发明最优实施例空化器中螺旋面设置为相对于静筒径向螺旋时的转筒的结构示意图。
图中1、中心进料口2、静筒3、转筒4、定齿5、动齿6、传动轴7、轴向齿间区域8、偏心出料口9、定齿间区域10、动齿间区域11、螺钉12、中间法兰13、刚性联轴器14、电机法兰15、电机16、机架17、机架鞍座。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1至图3所示一种旋转齿筒式水力空化器，是本发明最优实施例，包括驱动机构、静筒2和转筒3，所述的转筒3设置在静筒2内，所述驱动机构输出端与转筒3传动连接，所述的静筒2与转筒3轴线重合。
为了便于支承和安装，通常通过机架16来支撑驱动机构和静筒2。驱动机构优选为电机15。电机15输出端通过刚性联轴器13连接有传动轴6，传动轴6贯穿转筒3中心并与转筒3固定，当电机15运行时，带动转筒3转动。而静筒2则通过中间法兰12径向配合定位并与电机法兰14向连接，静筒2通过机架鞍座17安装在机架16上，各部件在锁紧安装过程中可通过螺钉11锁紧固定。
所述的静筒2前端中心位置处具有中心进料口1、后端中心偏下方位置处则具有偏心出料口8。所述的静筒2为圆柱形且静筒2内壁上等距分布有定齿4，定齿4与定齿4之间具有定齿间区域9。所述的转筒3也为圆柱形且转筒3外壁上等距分布有动齿5，动齿5与动齿5之间具有动齿间区域10。定齿间区域9与动齿间区域10构成了轴向齿间区域7。所述的定齿4与动齿5之间具有间隙，该间隙形成剪切区域。定齿4与动齿5可通过铣刀加工而成，加工成本低。
所述的定齿4螺旋排布在静筒2内壁上，所述的定齿4与动齿5排布规律一致，定齿4与动齿5相对运动时形成将中心进料口1的物料经过剪切区域剪切空化并运送至偏心出料口8的螺旋面。在如图3所示的实施例中，定齿4齿数与动齿5齿数之比优选为1.2。
在实际设计中，可将螺旋面设置为相对于静筒2轴向螺旋，如图8所示，所述的定齿4相对于静筒2轴向螺旋排布在静筒2内壁上，即静筒2内壁沿静筒2轴向等间距排布有若干圈定齿4，每圈定齿4所形成的平面均与静筒2径向平面平行，沿中心进料口1位置至偏心出料口8位置方向，每圈定齿4之间沿静筒2圆周方向依次旋转具有螺旋角α。螺旋角α的角度范围为-30°～30°。
在实际设计中，也可将螺旋面设置为相对于静筒2径向螺旋，如图9所示，所述的定齿4相对于静筒2径向平面呈螺旋排布在静筒2内壁上，即静筒2内壁沿静筒2轴向等间距排布有若干条定齿4，每条定齿4所成的直线与静筒2轴向平行，每条定齿4沿静筒2轴向依次旋转具有螺旋升角β，螺旋升角β的角度范围为-30°～30°。
齿筒组静筒2与转动主要用于物料的剪切空化，该空化过程采用相互配合的定、转筒3实现，定、转筒3成对使用，同轴安装，定动齿5每层面对面安装，物料流动方向为中心进料，经由静、动筒间的空化作用，再由底面偏心出料口8排出。
本发明的工作过程如下：液流由入口流入空化器后，受到动定齿4间的节流剪切作用，局部区域产生巨大的压力降，因此在齿间会产生真空低压区，此时液体中的气核被具有较低涡心压力的相干涡结构“吸入”，并生长形成高数量的纯汽相空泡。螺旋结构的动定齿4可使液体自动流入轴向齿间并继续受到下一层剪切空化。在轴向齿间和周向齿间，液体得到释放，压力回复，空泡溃灭，并在局部产生巨大的射流冲击力，可打破物质间的强力结合，甚至可以打断大分子主链上的碳键或破坏微生物细胞壁。
本发明实现空化效应的过程如下：物料入口在静筒2前端，即中心进料口1，物料出口为静筒2后端，即偏心出料口8，在实际应用中可根据需要互换进出口位置。物料流动进入定齿4与动齿5间隙内受到两齿的节流剪切作用，又由于转筒3的高速旋转，动齿5齿间处于低压状态，低压空间内使得空化泡大量生长，当液流流出动齿5间后，进入轴向齿间隙内，流体得到释放，压力恢复，空化泡溃灭，定动齿5的螺旋结构使得物料自动进入空化腔逐层空化，最后物料由出料口排出。
在实际选型过程中，可通过模拟实验对螺旋角α、螺旋升角β、齿顶楔角γ，以及动齿5与定齿4的齿数、厚度比例进行选型测试实验，通过模拟可得以下最优选型数值：
1、螺旋角α的角度为20°，空化率随角度增大而增大，但角度过大吸料速度就会增大，会造成物料大部分未空化便被排出，因此限制角度在20°。
2、螺旋升角β的角度为10°，相同齿周向间隙的情况下，角度越大齿数越少，会减少剪切面积，角度过小会使吸料速度增大。
3、带有齿顶楔角γ的等齿宽的矩形齿，所述的齿顶楔角γ的梯形齿的齿顶楔角γ的角度为20°，适当的增大齿顶楔角角度，有利于空化泡的产生，同时提高空化效率，但角度过大，或降低齿对流体的剪切作用，降低空化率。
4、静筒2圆周方向的定齿4数与转筒3圆周方向的动齿5数之比为1.2。静筒2内圆面圆周直径大于转筒3外圆面直径，因此限制定齿4周向间隙与动齿5周向间隙相同时，既可保证足够的剪切力，又留有足够的空化泡发展溃灭的空间。
5、定齿4的周向厚度与齿高之比为1，动齿5的周向厚度与齿高之比为1。比例为1能满足所需的齿的强度要求及空化器内的空化要求，且为最佳值，可根据需要上下浮动。
6、所述的定齿4的轴向厚度与周向厚度之比为1，动齿5的轴向厚度与周向厚度之比为1。正方形齿空化率最高，但可根据具体加工情况或特殊要求改变参数。
7、综合成本与空化效率考虑，定齿4轴向间距为定齿4轴向厚度的0.8倍，所述的动齿5轴向间距为动齿5轴向厚度的0.8倍。
8、定齿4与动齿5的齿高之比为0.8。模拟结果表明，定齿4间贴近壁面处有一部分液体会不经空化直接滑进下一齿圈，将定齿4齿高降低可以避免这种现象发生，但同时空化效率也会降低，综合两种影响因素，定齿4与动齿5齿高之比为0.8为最优解。
9、定齿4的周向间距为定齿4周向齿厚的1倍，动齿5的周向间距为动齿5周向齿厚的1倍。定齿4与动齿5的周向间隙空间是空化初生和溃灭的重要区域，间隙太小，空化泡没有充分发展的空间，间隙太大，剪切面积不够，会使效率降低。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
1.一种旋转齿筒式水力空化器，包括驱动机构、静筒(2)和转筒(3)，所述的转筒(3)设置在静筒(2)内，所述驱动机构输出端与转筒(3)传动连接，其特征在于：所述的静筒(2)与转筒(3)轴线重合，所述的静筒(2)前端中心位置处具有中心进料口(1)、后端中心偏下方位置处则具有偏心出料口(8)，所述的静筒(2)为圆柱形且静筒(2)内壁上等距分布有定齿(4)，所述的转筒(3)也为圆柱形且转筒(3)外壁上等距分布有动齿(5)，且所述的定齿(4)与动齿(5)之间具有间隙，该间隙形成剪切区域；所述的定齿(4)螺旋排布在静筒(2)内壁上，所述的定齿(4)与动齿(5)排布规律一致，定齿(4)与动齿(5)相对运动时形成将中心进料口(1)的物料经过剪切区域剪切空化并运送至偏心出料口(8)的螺旋面。
2.如权利要求1所述的一种旋转齿筒式水力空化器，其特征在于：所述的定齿(4)相对于静筒(2)轴向螺旋排布在静筒(2)内壁上，即静筒(2)内壁沿静筒(2)轴向等间距排布有若干圈定齿(4)，每圈定齿(4)所形成的平面均与静筒(2)径向平面平行，沿中心进料口(1)位置至偏心出料口(8)位置方向，每圈定齿(4)之间沿静筒(2)圆周方向依次旋转具有螺旋角α，螺旋角α的角度范围为-30°～30°。
3.如权利要求1所述的一种旋转齿筒式水力空化器，其特征在于：所述的定齿(4)相对于静筒(2)径向平面呈螺旋排布在静筒(2)内壁上，即静筒(2)内壁沿静筒(2)轴向等间距排布有若干条定齿(4)，每条定齿(4)所成的直线与静筒(2)轴向平行，每条定齿(4)沿静筒(2)轴向依次旋转具有螺旋升角β，螺旋升角β的角度范围为-30°～30°。
4.如权利要求1所述的一种旋转齿筒式水力空化器，其特征在于：所述的定齿(4)与动齿(5)的齿形为等中心角的扇形齿或等齿宽的矩形齿或圆柱形齿或带有齿顶楔角γ的梯形齿；所述的带有齿顶楔角γ的梯形齿的齿顶楔角γ的角度范围为-30°～30°。
5.如权利要求1所述的一种旋转齿筒式水力空化器，其特征在于：所述的静筒(2)圆周方向的定齿(4)数与转筒(3)圆周方向的动齿(5)数之比为1～1.5。
6.如权利要求1所述的一种旋转齿筒式水力空化器，其特征在于：所述的定齿(4)的周向厚度与齿高之比为0.5～1.5，所述的动齿(5)的周向厚度与齿高之比为0.5～1.5。
7.如权利要求1所述的一种旋转齿筒式水力空化器，其特征在于：所述的定齿(4)的轴向厚度与周向厚度之比为0.8～1.2，所述的动齿(5)的轴向厚度与周向厚度之比为0.8～1.2。
8.如权利要求1所述的一种旋转齿筒式水力空化器，其特征在于：所述的定齿(4)轴向间距为定齿(4)轴向厚度的0.25～2倍，所述的动齿(5)轴向间距为动齿(5)轴向厚度的0.25～2倍。
9.如权利要求1所述的一种旋转齿筒式水力空化器，其特征在于：所述的定齿(4)与动齿(5)的齿高之比为0.5～1。
10.如权利要求1所述的一种旋转齿筒式水力空化器，其特征在于：所述的定齿(4)的周向间距为定齿(4)周向齿厚的0.7～1.3倍，所述的动齿(5)的周向间距为动齿(5)周向齿厚的0.7～1.3倍。
技术总结