CN103501916B - 一种包括离心分离器的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于净化被微粒污染的气体的装置，该装置包括离心分离器(1)以及传动设备(16,7)，离心分离器(1)带有离心转子(2)以用于从气体分离微粒，传动设备(16,7)用于使离心转子(2)围绕旋转轴线(R)旋转，传动5设备包括传动地连接至离心转子(2)的冲击式涡轮(16)以及用于加压流体的喷嘴(17)，冲击式涡轮(16)配置有动叶(16a)，以用于从与动叶(16a)相对的喷嘴(17)接收加压流体的射流(J)，动叶(16a)配置成使得流体射流的方向沿动叶(16a)的高度(H)反转，其特征在于，动叶(16a)的高度(H)是喷嘴开口(17a)的直径的2-3倍。

Description

一种包括离心分离器的装置
技术领域
本发明涉及一种用于净化被微粒污染的气体的装置。该装置包括离心分离器，其带有离心转子以用于将微粒从气体中分离。该装置还包括传动设备，其用于使离心转子围绕旋转轴线旋转。该传动设备包括传动地连接至离心转子的冲击式涡轮以及用于加压流体的喷嘴。冲击式涡轮配置有动叶，其用于从与动叶相对定向的喷嘴接收加压流体的射流，该动叶配置为使得流体射流的方向沿动叶的高度反转。
技术背景
WO 99/56883 Al公开了先前已知的具有离心分离器的装置，该离心分离器带有离心转子以用于将微粒从气体分离。该离心分离器配置成由压力流体驱动，压力流体通过内燃机生成，其中，离心转子配置带有气动或液压马达(例如涡轮)，其适于被压力流体转动。这种已知装置的传动设备以简单的方式允许离心转子的非常高的旋转速度，并且离心分离器可位于靠近内燃机的期望位置。这使得该装置对于净化来自内燃机的曲轴箱气体而言是有用的。
WO 2011/005160 Al公开了包括离心分离器的另一种装置，其用于利用离心转子净化曲轴箱气体，该离心转子经由冲击式涡轮由压力流体驱动。特别而言，冲击式涡轮(在图1和图29-图34中更详细地示出)配置带有动叶以用于从与动叶相对定向的喷嘴接收加压流体的射流。动叶配置为使得流体喷射方向沿动叶的高度反转。这种涡轮已被证明在驱动离心转子时既简单又高效。
这些传动设备通常适用于离心分离器的特定操作条件。一个方面是使传动设备尽可能高效。期望的是保持传动设备的能量消耗尽可能小，同时保持或者甚至提高离心分离器的分离效率。
发明内容
本发明的一个目的是提高用于离心分离器的传动设备的效率。
该目的通过最初定义的装置实现，其特征在于，动叶高度是喷嘴开口直径的2-3倍。
先前已知的冲击式涡轮具有为喷嘴开口直径的大约5倍的动叶高度。通过缩短该高度，根据本发明，冲击式涡轮的效率出人意料地增加。因此，在高转速下使用于驱动离心转子的动力更有效地利用。冲击式涡轮被优化以用于高速旋转，并因而对于离心分离器实现更好的分离性能。流体射流要在动叶内行进的距离越短越好。然而，动叶高度不应小于流体射流的直径的2倍，因为这将导致在流体射流的进入部分和反转部分之间的冲突。这样的冲突会大大降低涡轮的效率。
超过喷嘴直径三倍的动叶高度在高转速下也将降低冲击式涡轮的效率。其原因是，离心转子的高速旋转不给予流体射流足够的时间以在动叶内行进较长的距离并有效地反转。因此，在流体射流充分反转之前，冲击式涡轮将旋转并从喷嘴转动过多。因此，来自流体射流的冲击无效地转移至涡轮。冲动式涡轮和离心转子可在范围从6000rpm至14000 rpm的速度下旋转。根据本发明，通过减小涡轮的高度，流体射流及时地反转并且涡轮的效率在较高的速度范围内大大提高。因此，与之前已知的涡轮相比，新的涡轮可提供更高的动力输出以用于驱动已经处于5000 rpm的速度的离心转子，该离心转子在流体上带有给定压力以及带有给定的喷嘴大小。
此外，本发明提供一种尺寸减小的涡轮或传动设备。这在例如曲轴箱气体净化中是一个非常重要的方面。在曲轴箱气体净化中，离心分离器必须适于安装在非常有限的空间中，在交通工具的内燃机的内部或其周围某处。带有传动设备的离心分离器可被安装在发动机室内或内燃机内的密闭空间内(例如气缸顶盖或阀盖内)。
在上面提到的喷嘴的直径的2到3倍的区间内，动叶的高度可有利地处于区间的较小范围，即，为喷嘴开口直径的2-2.5倍。此外，在这个较窄的区间内，所述高度可有利地是喷嘴开口的直径的2.3倍。
冲击式涡轮或离心转子可具有水平或垂直的旋转轴线。因此，术语动叶的“高度”并不意味这些构件的垂直定向。相反，冲击式涡轮和离心转子也可布置成绕水平旋转轴线旋转。如果冲击式涡轮被认为具有柱形形状，则“高度”是在该柱形的长度方向上的延伸。
流体射流可为气体的形式，但更优选地是生成更大的驱动力的液体。
冲击式涡轮的半径可有利地配置为使得在离心分离器的操作期间，流体射流速度和冲击式涡轮在半径处的切向速度之间的比率是2-3，流体射流在半径处配置为用以击打动叶。因此，流体射流速度是操作中的冲击式涡轮的切向速度的至少2倍但不超过3倍(或者换句话说；涡轮的切向速度是流体喷射速度的1/3至1/2)。该装置的一些操作条件屡次给定。比如，流体射流速度可由特定的喷嘴和流体上的预定操作压力给定。在给定的输入条件下，涡轮将根据所施加的负载在不同的速度下运行。但是，意图使离心转子在特定的负载范围内操作，其取决于预期的旋转速度以及每单位时间流动穿过离心转子的气体的量。因此，涡轮半径基于这些操作条件配置，使得流体射流速度是涡轮的切向速度的2至3倍。在此范围内，当前冲击式涡轮的功率曲线达到峰值。
以这种方式，涡轮效率基于先前的例如根据WO 2011/005160 A1的冲击式涡轮进一步增加。先前的涡轮具有显著较大的半径。事实上，新的涡轮半径几乎是先前的涡轮半径的一半，并进而在给定的流体压力下产生更高的转速。因此，进一步减小涡轮和传动设备的大小，并且增加离心转子的旋转速度。在上述范围内，冲击式涡轮的半径可有利地配置为使得该比率是2.2-2.6。还可有利地配置为使得所述比率为2.4。因此，在离心分离器的最佳操作条件下，流体射流速度将为流体射流击打动叶的点处的切向涡轮速度的2.4倍。
喷嘴的开口可布置在与冲击式涡轮相距0.5-5毫米的距离处。当流体射流离开喷嘴时，射流的直径以锥形方式扩张以变得关于喷嘴开口的距离不那么聚集或集中。喷嘴开口应当尽可能接近动叶。这样，当流体射流相对聚集在喷嘴开口附近时，来自流体射流的冲击更有效地作用在动叶上。此外，它们在一起越接近，流体射流的直径与喷嘴开口的直径越相似。因此，当所述距离较短时，流体射流的直径与喷嘴开口的直径大致相同。然而，制造误差限制该距离为0.5毫米，因为由于喷嘴和冲击式涡轮在操作期间彼此接触，较短的距离将使传动设备有损坏的风险。
冲击式涡轮的动叶可优选地配置有内部弯曲部分以用于使流体沿动叶的高度反转，该内部弯曲部分过渡到沿径向向外的方向发散的外部直的部分中。动叶的直的向外发散的部分配置为用以使流体射流汇集(funnel)到动叶的弯曲部分中以及从其出来。因此，当流体射流进入动叶的上半部分时，上部直的部分将流体射流引导到弯曲部分中，并且下部直的部分将流体射流引导出动叶。
如前面所提到的那样，离心分离器可有利地适于在操作期间净化由内燃发动机所产生的曲轴箱气体，其中，喷嘴可连接至内燃机的流体压力源。由于相对小尺寸的传动设备，该装置尤其适合于净化曲轴箱气体。此外，已发现该冲击式涡轮在与曲轴箱气体净化相关联的操作范围内是非常有效的，例如在离心转子上所需的高转速和实际负载方面。如前面所提到的那样，离心转子的旋转速度将通常位于从6000至14000 rpm的范围内。离心转子上的负载随转速和每单位时间流动穿过离心转子的气体的量而增加。穿过离心分离器的曲轴箱气体率或所谓的吹气率可根据内燃机和其操作条件位于从每分钟40到800升的范围内。此外，该流体优选地是液体，其中，流体压力源是内燃发动机的液体泵。这是因为液体由于其较高的密度而比气体提供更多的动能。
内燃机的流体压力源可为例如传动地连接至内燃机的油泵或水泵。因此，用于驱动冲击式涡轮的流体可为油或水，其分别由所述油泵或水泵加压。在许多情况下，泵速将取决于发动机转速，因而发动机转速中的降低赋予来自泵的液体上较低的压力。然而，该冲击式涡轮在上述操作范围内是非常高效的，并且尤其是当压力源生成相对低的压力时(例如2-5巴的最大压力)。
传动设备可设有用于冲击式涡轮和喷嘴的壳体，该壳体包封用于离心转子的传动室。此外，该壳体还可设有壁元件，其包括用于喷嘴的管道，该管道在可连接至内燃机的对接表面处具有到流体压力源的连接。这提供一种将传动设备连接至内燃机的简单和高效的方式。本发明所涉及的改进在于可提供非常紧凑的壳体，因为涡轮呈现减小的尺寸。
附图描述
下面将参照附图通过对实施例的描述进一步说明本发明，其中：
图1示出了具有带有离心转子的离心分离器的冲击式涡轮的纵向截面，
图2示出了冲击式涡轮和孤立喷嘴的视图，
图3示出了冲击式涡轮和孤立喷嘴的横截面，以及
图4示出了沿冲击式涡轮的一个动叶的纵向截面。
具体实施方式
图1示出用于净化来自内燃机的曲轴箱气体的装置。该装置包括带有离心转子2的离心分离器1，离心转子2可绕旋转轴线R旋转。离心转子2位于固定壳体4内的分离室3a中。固定壳体4具有进气口5，其配置为用以将受污染的曲轴箱气体引导到离心转子2内的中心空间6中。离心转子2包括布置在彼此顶部上的分离盘7a的堆叠。分离盘7a具有伸长的间隔部件7b，以对于来自中心空间6以及沿径向向外的气体的通流提供轴向间隙8。间隔部件7b的高度确定轴向间隙8的大小。仅几个分离盘7A被示出，其中间隙8带有严重夸大的大小。在实践中，离心转子2将包括更多数目的带有小得多的间隙8的分离盘7a。
在操作期间，离心转子2带动气体旋转，借此在气体流过离心转子2的间隙8时通过离心力将污染物分离。间隙8开放到围绕离心转子2的分离室3a的径向外部中。净化的气体被排放到分离室3a的该外部部分中，并且经由压力调节阀9a和气体出口9b引导出离心分离器1。压力调节阀9a设置为用以保持曲轴箱内的气体压力处于安全范围内。作用在旋转气体上的离心力会导致微粒污染物沉积在分离盘7a的表面上。
此后将分离的污染物从离心转子2的分离盘7a甩到固定壳体4的内壁上。然后可使污染物沿环形收集槽10a的内壁向下流动，环形收集槽10a与排出口10b连通以用于将收集的污染物引导出离心分离器1。
分离盘7a的堆叠布置在轴11上，轴11可旋转地支撑固定壳体4中的离心转子2。轴11具有第一端部11a，其被支承在第一轴承单元12中。第一轴承单元12具有轴承12a以及在进气口5处连接至壳体4的轴承保持器12b。第一轴承保持器12b是帽状的并跨过进气口5布置，其中，轴承保持器12b设有孔12c以用于允许曲轴箱气体从进气口5进入离心转子2内的中心空间6中。此外，第二轴承单元13布置得靠近轴的第二端部11b。因此，第一轴承单元12和第二轴承单元13布置在分离盘7a的堆叠的相对侧上。第二轴承单元13包括位于轴承保持器13b中的轴承13a，轴承保持器13b经由分隔件14连接至壳体4。
分隔件14将壳体4的内部划分成分离室3a和传动室3b。在分隔件14下方示出用于离心转子2的传动室3b。壳体4具有用于分离室3a的第一壳体部分4a以及用于传动室3b的第二壳体部分4b。第一壳体部分4a和第二壳体部分4b借助于螺栓15彼此连接，其中，分隔件14布置成被夹持在壳体部分4a、4b之间。轴11延伸穿过分隔件14并进入到传动室3b中。传动室3b包封用于离心转子2的传动设备。传动设备包括传动地连接至轴的第二端部11b的冲击式涡轮16。因此，冲击式涡轮16配置为用以使离心转子2旋转。冲击式涡轮16配置成带有动叶16a以用于从与动叶16a相对定向的喷嘴(在图1中未示出)接收加压油的射流。动叶16a配置为使得油射流方向沿动叶16a的高度H反转。在这种情况下，动叶高度H是沿垂直方向测量的。
图2示出冲击式涡轮16和孤立的喷嘴17。所示的喷嘴17布置在传动室壳体4b的壁部件4c中。喷嘴17经由壁部件4c内的管道(未示出)连接至内燃机的润滑油泵。因此，当发动机运行时，润滑油泵为喷嘴17传输压力油以使冲击式涡轮16和离心转子2旋转。如图中所示，冲击式涡轮16配置有中心通孔16b以用于连接至轴11。此外，冲击式涡轮16的面向第二轴承单元13的上表面配置有一对环形肋16c。在安装位置，环形肋16c围绕第二轴承保持器13b的一部分以便形成迷宫式密封。当冲击式涡轮16转动时，来自排出口10b的分离的污染物将流动穿过第二轴承13a并穿过迷宫式密封到传动室3b中。喷嘴17布置在动叶16a附近，其喷嘴开口17a相对于涡轮16沿切线方向与动叶16a相对定向。这也可在图3中看出，图3示出涡轮16和喷嘴17的横截面。当流体射流相对聚集在喷嘴开口17a附近时，来自油射流的冲击更有效地作用在动叶16a上。在实践中，喷嘴的开口17a布置在与冲击式涡轮16相距0.5-5毫米的距离处。
此外，动叶16a的高度H是喷嘴开口17a的直径的2-3倍。如在图2中所示，喷嘴开口17a布置为使得将油射流引导到动叶16a的上半部分中。动叶16a的内部配置带有曲率16d以使油射流J的方向沿动叶16a(其也在图4中示出)的高度H反转，使得在涡轮16上提供冲击以使离心转子2旋转。因此，在动叶16a的上半部分接收油射流J，在其内部，油射流反转而离开动叶16a的下半部分。已发现带有这样的高度H的冲击式涡轮尤其在离心转子的高速旋转(例如6000-14000 rpm)时对于曲轴箱气体的净化而言是非常有效的。
图3公开了根据图2的冲击式涡轮16和喷嘴17的横截面(即，沿水平平面选取)。如在上文中所述，可以看出，喷嘴开口17a在涡轮16的切线方向上与动叶16a相对地定向。油射流J以速度V1从喷嘴开口17a喷射。油射流的速度V1可随着发动机速度而有所不同，因为油泵以这样的方式连接至发动机，使得油的压力随发动机速度而改变。因此，油压的增加也将增加油射流速度V1，从而使冲击式涡轮16和离心转子2将旋转得更快。可例如通过将油的体积流率除以喷嘴开口17a的横截面积得到油射流的主流速度V1。冲击式涡轮16在流体射流击打动叶16a之处的半径R处具有切向速度V2。如在图3中所示，半径R是从冲击式涡轮16的中心到动叶16a的中心的距离。冲击式涡轮16的尺寸带有这样的半径R，使得在油射流速度V1和切向速度V2之间的比率V1/V2在离心分离器的操作期间为2-3。因此，在半径R处油射流速度V1是冲击式涡轮的切向速度V2的至少2倍但不超过3倍。在该范围内，冲击式涡轮功率曲线达到峰值，据此涡轮效率基于先前用于驱动离心转子的冲击式涡轮进一步增加。
在内燃机(例如用于重型卡车)的正常操作期间，油射流速度V1通常可处于从20m/s至30m/s的范围内，其中，在半径R处的切向速度V2被设计为油射流速度V1的1/2至1/3。因此，当考虑离心转子上所需的高转速(6000到14000 rpm)以及实际的负载(吹气率(blow-by gas rate)为每分钟40至800升)时，本发明的冲击式涡轮将通常设置有从大约10毫米至15毫米的半径R。由于半径R被测量至动叶16a的中心，测量至冲击式涡轮的外周的半径将更大一些(例如2毫米或3毫米更长)。此外，喷嘴开口17a的直径可处于例如从2.1毫米至2.9毫米的范围内，其中，动叶16a具有与喷嘴开口17a的直径大致相同的宽度。因此，冲击式涡轮16具有相对较小的尺寸。
图4披露了沿动叶高度H的纵向截面。油射流J通过大的箭头表示。此外，动叶16a配置有弯曲部16d，其过渡到向外发散的上部和下部的直的部分16e中。动叶16a的向外发散的直的部分16e配置为用以使油射流J汇集到动叶16a的弯曲部分16d中以及从其排出。因此，当油射流J进入动叶的上半部分时，上部直的部分16e将油射流J引导到弯曲部分16d中，并且下部直的部分16e将油射流J引导出动叶16a。动叶16a的直的部分16e可备选地布置成平行地延伸，特别是如果没有必要将油射流J引导或汇集到动叶16a的弯曲部分16b中的情况下。例如，如果喷嘴开口17a定位成位于动叶16a的高度H之内，这将不是必需的。动叶16A的弯曲部分16d是油射流J反转以在涡轮16上提供冲击的地方。因此，如在图4中所示，动叶16a的高度H实际上仅仅测量为弯曲部分16d的高度。然而，在实际中，高度H也可在动叶16a的开口处测量从而包括弯曲部分16b和直的部分16e，因为该高度实际上与弯曲部分16b的高度H相同。

Claims (14)

1.一种用于净化被微粒污染的气体的装置，所述装置包括离心分离器(1)以及传动设备(16,17)，所述离心分离器(1)带有离心转子(2)以用于从所述气体分离微粒，所述传动设备(16,17)用于使所述离心转子(2)围绕旋转轴线(R)旋转，所述传动设备包括传动地连接至所述离心转子(2)的冲击式涡轮(16)以及用于加压流体的喷嘴(17)，所述冲击式涡轮(16)配置有动叶(16a)以用于从与所述动叶(16a)相对地引导的喷嘴(17)接收加压流体的射流(J)，所述动叶(16a)配置成使得所述流体射流的方向沿所述动叶(16a)的高度(H)反转，其特征在于，所述动叶高度(H)是所述喷嘴开口(17a)的直径的2-3倍。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述动叶(16a)的高度(H)是所述喷嘴开口(17a)的直径的2-2.5倍。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述动叶(16a)的高度(H)是所述喷嘴开口(17a)的直径的2.3倍。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的装置，其特征在于，所述冲击式涡轮(16)配置带有半径(R)，使得在所述离心分离器(1)的操作期间，所述流体射流的速度(V1)和所述涡轮在所述半径(R)处的切向速度(V2)之间的比率(V1/V2)是2-3，所述流体射流(J)配置为用以在所述半径(R)处击打所述动叶(16a)。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述冲击式涡轮(16)的半径(R)配置为使得所述比率(V1/V2)为2.2-2.6。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述冲击式涡轮(16)的半径(R)配置为使得所述比率(V1/V2)为2.4。
7.根据权利要求1-3中的任一项所述的装置，其特征在于，所述喷嘴(17)的开口(17a)布置在与所述冲击式涡轮(16)相距0.5-5毫米的距离处。
8.根据权利要求1-3中的任一项所述的装置，其特征在于，所述冲击式涡轮(16)的动叶(16a)配置带有内部弯曲部分(16d)以用于使所述流体沿所述动叶(16a)的高度(H)反转，所述内部弯曲部分(16d)过渡到沿径向向外的方向发散的外部直的部分(16e)中。
9.根据权利要求1-3中的任一项所述的装置，其特征在于，所述喷嘴(17)可连接至内燃发动机的流体压力源，并且所述离心分离器(1)配置为用于在操作期间净化由所述内燃发动机所产生的曲轴箱气体。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述流体是液体，并且所述流体压力源是所述内燃发动机的液体泵。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述液体是油或水，并且所述流体压力源分别是油泵或水泵。
12.根据权利要求1-3中的任一项所述的装置，其特征在于，还包括用于所述冲击式涡轮(16)和所述喷嘴(17)的壳体(4b)，所述壳体(4b)包封所述离心分离器(1)的传动室(3b)。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述离心分离器包括用于所述离心转子(2)的第一壳体部分(4a)，其可连接至形成用于所述冲击式涡轮(16)和所述喷嘴(17)的壳体的第二壳体部分(4b)。
14.根据权利要求1-3中的任一项所述的装置，其特征在于，所述离心转子(2)包括分离盘(7a)的堆叠以用于从所述气体中分离所述微粒。
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