CN101511442B - 带有碎屑陷阱的三相旋流式流体分离器 - Google Patents

带有碎屑陷阱的三相旋流式流体分离器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种在流体系统中分离混合物的液体、气体和固体成分的设备(10)。用于接收混合物的入口(20)切向地通入具有筒形侧壁(11)的分离腔(14)，气体出口(45)在邻近入口(20)的第一端壁(16)中具有开口，以允许气体离开分离器(10)。流体出口(24)位于相对的第二端壁(26)中。碎屑通道(32)延伸穿过所述筒形侧壁(11)，并取向成使得分离腔(14)内的颗粒的径向速度引导颗粒穿过碎屑通道(32)。碎屑通道通入颗粒收集腔(34)，颗粒积累在所述颗粒收集腔中。与依赖于颗粒切向速度的现有分离器不同，本发明的设备利用较大的径向速度驱使颗粒从分离腔进入颗粒收集器。

Description

带有碎屑陷阱的三相旋流式流体分离器
技术领域
本发明涉及一种用于从机器的流体(如发动机中的润滑油)中分离出碎屑颗粒与气体的装置，更具体地涉及通过形成流体漩涡/涡流来进行分离的装置。
背景技术
现有的涡轮发动机，如飞机中使用的发动机，由通过从蓄液器中抽取油的泵供给到运动的发动机部件的油来润滑。所述油从这些部件流入到发动机内的机油箱中，回油泵又迫使流体回到蓄液器中。在流经发动机的过程中，油经常会带走金属或非金属的碎屑颗粒并由于湍流而被充气。因此，通常做法是使这种混合物在进入蓄液器之前经过可从润滑油中分离出颗粒与所含的气体的设备。
这种分离通常由三相旋流式分离器执行，如美国专利No.6,348,087中说明的分离器。参照图1，这种分离器经由与筒形腔106的内壁102的弯曲形状相切地布置的进入通道100接收来自发动机的流体混合物。这种布置使流体以漩涡108向下进入环形碎屑收集区110。漩涡的离心力向外驱使较重的碎屑颗粒并使之靠着筒形内壁102向下进入碎屑收集区，而驱使流体流经位于中心的出口。环形流的切向速度驱使碎屑颗粒进入线形排出通道112，该通道沿切向从筒形内壁102的弯曲表面延伸到碎屑收集区内。在排出通道的远端设置有磁性颗粒收集器114，以保持金属颗粒。颗粒在到达磁性颗粒收集器114之前必须沿排出通道112行进某一距离。因此，在进入排出通道时，要求颗粒具有足够的动量以达到磁性颗粒收集器。较小的颗粒通常不具有足够的动量因此不能被收集器保持。
具体地，一旦进入排出通道，颗粒便离开了漩涡的旋转力场。抵抗颗粒运动的主要力是重力的牵引力。牵引力Fd由下式得到：
F d = C d ρ AV 2 2
其中，Cd是牵引系数，ρ是输送流体密度，A是在流动方向上的颗粒投影面积，V是认为等于流体速度的颗粒速度。
颗粒的沉降速度VS遵循Stokes定律并由下式限定：
V S = gd p 2 ( ρ p - ρ f ) 18 μ
其中，g是地球的重力加速度，dp是颗粒的主尺寸，ρp是颗粒密度，ρf是输送流体密度，μ是流体速度。
牵引力作用在颗粒动量的反方向上，而重力垂直于颗粒的原定轨迹移动颗粒。由于将磁力线限制在较小的包络范围内的磁极的设计，磁性收集器的吸引力在颗粒较近时才明显。因此，颗粒必须具有足够的动能，以承受牵引力的损耗并达到磁力影响的范围内。在短暂的颗粒输送期间(通常＜150毫秒)，重力和沉降速度对于较小的颗粒是不重要的，并且在此模型中被忽略。
希望在分离器入口与润滑剂出口之间的流体压降尽可能地小。然而，压降直接正比于流体流速、因此正比于环形流的切向速度。换言之，随着压降减小，驱动颗粒从筒形腔进入收集器排出通道的流体流的切向速度也减小。这种关系限制了分离器的物理尺寸(直径)，因而限制了流经分离器的流体流的量。结果，增大分离器腔的直径以接纳更大量的流体流会使流经所述腔的流体切向力以及分离出颗粒的能力减小。
因此，希望改进分离出的颗粒从腔壁到碎屑收集位置的碎屑输送效率，以提供一种能够在较大的流体流速下有效工作的旋流式流体分离器。
发明内容
一种用于从混合物中分离出液体和颗粒的设备，所述设备包括具有在第一端壁与第二端壁之间围绕纵向轴线延伸的筒形壁的分离腔。用于接收混合物的入口切向于筒形壁通入分离腔。在所述分离腔的第二端处的流体出口为流体从分离腔流出提供出口。碎屑通道穿过所述筒形壁并进行取向，其中分离腔内的颗粒的径向速度引导颗粒穿过碎屑通道。优选地，所述碎屑通道从分离腔的纵向轴线沿径向延伸出。碎屑通道通入其中积聚颗粒的颗粒收集腔。所述颗粒收集腔优选平行于所述纵向轴线从碎屑通道延伸出并远离分离腔的第一端。
与取决于颗粒切向速度的现有分离器不同，本发明的设备利用较大的径向速度驱使颗粒从分离腔进入颗粒收集腔。
本设备还可用于从混合物中分离气体、液体和颗粒。在这种实施形式中，在分离腔的第一端上设置气体出口，从混合物中分离出的气体通过该气体出口排出。
附图说明
图1是现有技术中的三相旋流式分离器径向剖视图；
图2是根据本发明的三相旋流式分离器的轴向剖视图；
图3是沿图2的线2-2的剖视图，其中示出分离器的入口；和
图4是沿图2的线3-3的剖视图，其中示出分离器的碎屑出口。
具体实施方式
首先参照图2，提供了一种三相分离器10以从混合物中分离出液体、气体和固体成分。尽管分离器10可特别地应用在发动机润滑系统中，应当意识到，分离器10也可以应用于其它类型的流体系统中。分离器10包括壳体12，该壳体具有在第一端壁16与第二端壁26之间延伸的管状筒形侧壁11，从而形成带有第一或上端15和第二或下端18的圆筒形分离腔14。壳体12贴靠润滑系统的润滑剂蓄液器19，并通过多个机器螺钉17或其它紧固机构与之连接。
另外参照图3，入口20在邻近第一端壁16处通入分离腔14，并与筒形分离腔14的弯曲表面相切地布置。如下文所述，要分离的材料混合物通过入口20进入分离腔14，然后以旋动向下穿过分离腔的螺旋形漩涡22的形式流向第二端18。穿过分离腔14的第二端壁26形成流体出口24，其中环形收集器壁28像管子一样从第二端壁伸入分离腔14中，并包围流体出口24。注意，分离器10的流体出口24以第一中心纵向轴线25来定中心，其中，分离腔14以该第一中心纵向轴线为中心，并且该第一中心纵向轴线延伸到润滑剂蓄液器19中。
参照图2和4，第二端壁26和环形收集器壁28形成限定分离腔14内的收集区30的屏障，该收集区接收从经过入口20进入的混合物中分离出的颗粒。碎屑通道32在收集区30附近通入分离腔14的筒形侧壁11。碎屑通道32也通入分离腔外部的、具有平行于第一纵向轴线25延伸的主轴线35的长形碎屑收集腔34中。注意，碎屑通道32的中心在第二纵向轴线33上，该第二纵轴线从第一纵向轴线25沿径向延伸出，并且不布置成与分离腔的弯曲内表面21相切。因此碎屑通道32正交于碎屑收集腔34的主轴线。从对分离器的工作的说明中应当理解，碎屑通道32不必准确地与第二纵向轴线33对齐。
碎屑通道32与颗粒收集腔34的上部连通，该颗粒收集腔远离分离腔的第一端15朝向润滑剂蓄液器19继续向下延伸。塞子36封闭位于颗粒收集腔34下端处的外开口37，并且当需要清除所收集的颗粒时可被拆下。
用于集聚进入颗粒收集腔34的金属颗粒的常规磁性探针38位于在塞子36附近通入颗粒收集腔的一孔中。磁性探针可产生表示已集聚的金属颗粒的量的电信号。当电信号表示已集聚大量颗粒时，磁性探针38可被移出以取出颗粒并清洁探针。流通型的碎屑传感器40沿颗粒收集腔34位于碎屑通道32与磁性探针38之间。碎屑传感器40产生表示从碎屑通道32经过颗粒收集腔到达塞子36的颗粒量的电信号。例如，碎屑传感器40可以是向光检测器发射横跨颗粒收集腔34的光束的常规光学装置，所述光检测器通过产生一第二电信号而进行反应。到达检测器的光的强度受到穿过颗粒收集腔的碎屑的影响。也可以利用其它类型的传感器例如超声装置来检测经过颗粒收集腔的颗粒流。
分离器10包括在分离腔14内、位于第一端壁16中央的气体出口46。从进入分离腔14的混合物中分离出的气体以及润滑剂蓄液器19中的气体通过气体出口46排放。在气体出口46上安装有卸压阀48，该卸压阀在分离器10内的压力达到给定阈值水平(例如0.5-0.7bar)时从气体出口开放通道。
工业实用性
参照图2和3，本三相分离器10具有处理飞机发动机的润滑剂的特定应用。回油泵将处于压力下的润滑剂混合物从发动机供给到入口20。润滑剂混合物的流与弯曲的侧壁11的表面相切地进入分离腔14，并沿一路径运动，该路径围绕分离腔14的筒状内表面弯曲并向下朝向分离腔的第二端壁26，从而产生一螺旋形的漩涡22。环形收集器壁28将分离腔14分成两个同心区，筒形内区50和围绕内区50的环形外区52。内区50和外区52之间的边界由图2中的虚线53示出。
随着混合物沿着壳体12的弯曲侧壁11向下旋动，旋流式的流产生离心力，该离心力向流的图案的外周面驱动较重的碎屑颗粒，同时允许气泡在图案的中央(大致在第一中心纵向轴线25处)汇合。碎屑颗粒被迫向下进入外部环形收集区30，其中，第二端壁26使这些颗粒的向下运动停止。
带有切向碎屑排出通道的常规旋流式分离器仅依赖于颗粒速度的切向分量而不利用径向速度分量。在这些分离器中，颗粒速度的径向分量仅在分离过程中、即当颗粒在离心力作用下朝向分离腔的弯曲侧壁进行分离时存在。一旦到壁部，径向分量被停止。离心力仍作用在颗粒上，但在这里对输送方向是不利的，即离心力将颗粒压在侧壁上。
本三相分离器10利用上述两种速度分量，或至少利用速度势较高的径向分量。在图4中，在碎屑通道32的开口处的颗粒42具有一速度，该速度可分解成由垂直取向的箭头表示的切向速度44和径向速度46。一限定颗粒在重力场中的沉降时间的简单等式为：
V S = gd p 2 ( ρ p - ρ f ) 18 μ
在旋流式分离器中，该等式中的“gs”的值远大于一个地球的(重力加速度)g。例如，在最近对飞机的测试中，在发动机的飞行怠速下产生了50g的加速水平，其中切向速度为14英尺每秒(FPS)，在发动机起飞速度下产生了500g的加速水平，其中切向速度为45FPS。相应的径向速度分量是：在飞行怠速下为21FPS，在起飞速度下为210FPS。这些实验数据清楚表明，颗粒径向速度向量明显大于切向速度向量。
因此，通向收集腔34的碎屑通道32在本三相分离器10中位于不与分离腔侧壁11的弯曲形状相切的位置。事实上，碎屑通道32与第二纵向轴线33对齐，该第二纵向轴线33从分离腔14的第一纵向轴线25沿径向延伸出，从而最优地利用颗粒径向速度。然而，碎屑通道32不必准确地对中在从第一纵向轴线25沿径向延伸出的线上，来使径向速度推动颗粒穿过该通道。另外，碎屑通道32的后部竖直边缘49优选形成斜面，以允许切向速度帮助将颗粒引导到收集腔34中，然而用于该运动的主要的力仍然是径向速度。
因为本发明利用颗粒径向速度来驱使颗粒从分离腔14进入碎屑通道32，所以在颗粒速度也降低的较低流体流速下，本发明比带有切向碎屑排出通道的常规分离器更有效地起作用。这使得液压系统能设计成在以较小的压降横跨本发明的分离器10的情况下工作。
在进入收集腔34之后，碎屑颗粒平行于第一纵向轴线25朝向位于碎屑通道32远端的开口37行进。由流通型碎屑传感器40检测磁性的和非磁性的颗粒，该传感器发出表示所述碎屑的第一电信号。然后磁性探针38集聚在所述碎屑中的金属颗粒并发射表示金属颗粒积聚量的第二电信号。第一和第二电信号被应用于分析发动机磨损的计算机。另外，当所述电信号表示已有相当大量的碎屑进入收集腔34时，由技师拆下塞子36并清洁所述收集腔。
回到分离腔14中的运动，旋流式流体流导致润滑剂混合物中的液体填入环形外区52以及内区50的外周。向下旋动的液体离开流体出口24，从而流入润滑剂蓄液器19。该旋动的混合物中所含的任何气体都朝向第一纵向轴线25迁移。分离出的气体能够向下通过流体出口24流入在润滑蓄液器19顶部的蒸气空间。当该蒸气空间和分离腔14中的压力增加到大于一预定阈值(例如0.5-0.7bar)时，卸压阀48打开，从而允许气体经由在分离腔顶部的出口46排出。
以上说明主要涉及本发明的一个优选实施例。尽管给出了本发明的范围内的一些替代型式，但可以预料，本领域的技术人员可能会认识到从本发明公开的实施例可清楚地看到的其它替代型式。因此，本发明的范围由以下权利要求限定而不限于上面公开的内容。

Claims (18)

1.一种用于从混合物中分离出液体和颗粒的设备，所述设备包括：
具有在第一端与第二端之间围绕纵向轴线延伸的筒形壁的分离腔，
用于接收混合物的入口，所述入口基本上切向于筒形壁通入分离腔；
位于分离腔第二端中的流体出口，液体从分离腔通过该出口流出；
延伸穿过所述筒形壁的碎屑通道，该碎屑通道的中心在从所述纵向轴线沿径向伸出的另一轴线上；
从第二端伸入分离腔的环形壁，在该环形壁与筒形壁之间形成收集区，其中碎屑通道通入收集区；以及
颗粒收集腔，该颗粒收集腔与碎屑通道连通，以接收颗粒。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，该设备还包括位于分离腔的第一端中的气体出口，从混合物中分离出的气体通过该气体出口排出。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述颗粒收集腔平行于所述纵向轴线从碎屑通道延伸出。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述颗粒收集腔包括一外开口和用于该外开口的封闭件，通过该外开口从所述设备中取出所收集的碎屑。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，该设备还包括伸入颗粒收集腔以集聚碎屑中的金属颗粒的磁性探针。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述磁性探针产生一表示已集聚的金属颗粒的量的电信号。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，该设备还包括一产生表示颗粒收集腔中的金属和非金属碎屑的量的电信号的传感器。
8.一种用于从混合物中分离出液体和颗粒的设备，所述设备包括一壳体，所述壳体包括：
具有第一端和第二端的分离腔，其中在第一端与第二端之间以第一纵向轴线为中心延伸有筒形壁；
用于接收混合物的入口，所述入口以将混合物引导成按旋流流动的取向通入分离腔；
位于分离腔第二端中的流体出口，从混合物分离出的液体流过该流体出口；
沿第二纵向轴线延伸穿过所述筒形壁的碎屑通道，该第二纵向轴线从第一纵向轴线沿径向伸出；以及
颗粒收集腔，碎屑通道通入该颗粒收集腔。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，该设备还包括位于分离腔的第一端中的气体出口，从混合物中分离出的气体通过该气体出口排出。
10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，该设备还包括从第二端伸入分离腔的环形壁，在该环形壁与筒形壁之间形成收集区，其中碎屑通道通入收集区。
11.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述颗粒收集腔从碎屑通道平行于所述第一纵向轴线延伸出，并远离分离腔的第一端朝向收集端延伸。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述颗粒收集腔在收集端包括一外开口和用于该外开口的封闭件。
13.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，该设备还包括伸入颗粒收集腔以集聚金属颗粒的磁性探针。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述磁性探针产生一表示已集聚的金属颗粒的量的电信号。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述磁性探针产生一表示已集聚的金属颗粒的量的电信号。
16.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，该设备还包括一产生表示颗粒收集腔中的碎屑的量的电信号的传感器。
17.一种用于从混合物中分离出液体、气体和颗粒的设备，所述设备包括：
具有在第一端与第二端之间围绕纵向轴线延伸的筒形壁的分离腔；
用于接收混合物的入口，所述入口在邻近第一端处与筒形壁相切地通入分离腔；
位于分离腔第一端处的气体出口，从混合物中分离出的气体通过该气体出口排出；
位于分离腔第二端中的流体出口，液体从分离腔通过该出口流出；
延伸穿过所述筒形壁的碎屑通道，该碎屑通道的中心在从所述纵向轴线沿径向伸出的另一轴线上；以及
颗粒收集腔，碎屑通道通入所述颗粒收集腔，该颗粒收集腔平行于所述纵向轴线从碎屑通道延伸出并延伸远离分离腔的第一端。
18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，该设备还包括伸入颗粒收集腔以集聚金属颗粒的磁性探针。
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