CN1426843A - 具有叶片组件的自驱动离心机 - Google Patents

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Abstract

一种用于从循环液体中分离出颗粒物质的自驱动离心机，其包括具有一对用于产生离心机的自驱动作用力的切向射流喷嘴的基座。连接于基座上的是离心机壳体，该壳体形成一个中空的内部空间。具有转动中心轴线的中空转子中心体组装到基座上，并穿过中空的内部空间延伸。支撑板位于中空的内部空间内，与中空的转子中心体配合而形成一个用于循环流体的圆形流体排出口。位于中空的内部空间内是分离叶片组件，该叶片组件构造和布置成围绕中空转子中心体延伸，且由支撑板支撑。该分离的叶片组件包括多个轴向延伸且间隔开的分离叶片。

Description

具有叶片组件的自驱动离心机
相关申请的参考
本申请是2000年4月4日提交的题为“Self Driven Centrifuge withVane Module”正在审理之中的美国专利申请NO.09/542723的部分继续申请(CIP)，在此其整体地结合于此作为参考。
背景技术
本发明总体上涉及利用离心力场从流动的液体中连续分离颗粒物质。更准确地说，本发明涉及离心机转筒内与用于螺旋形叶片的自驱动转动的适当推进结构配合工作的螺旋形板或叶片的使用。在本发明的一个实施例中，该推进布置包括射流喷嘴的使用。在本发明的另一实施例中，螺旋形叶片的特定形状和式样得到改进，包括扁平(平面)板的实施例。
因为在本发明的优选实施例中使用螺旋形叶片是对为从流动的液体中分离颗粒物质而采用叠锥式分组件的现有技术的设计改变，所以回顾一下这种叠锥技术有助于理解本发明和现有技术之间的差别以及本发明所带来的优点。
1996年11月19日授予Herman等人的美国专利US5575912公开了一种用于从循环液体中分离出颗粒物质的旁路离心机。这种离心机的结构包括一中空的大致圆柱形的离心机转筒，该转筒与基板配置在一起，从而形成一个液体流动腔。一中空的中心管轴向上向上延伸穿过基板而进入离心机转筒的中空内部。该旁路离心机设计成组装在一盖组件内，且在基板上的一对相对设置的切向流喷嘴用于使所述盖内的离心机旋转，从而将颗粒从液体中分离出。该离心机转筒的内部包括多个截锥体，这些截锥体布置成成列堆叠，且紧密地间隔开，从而提高分离效率。截锥体的堆叠排列夹置在位于离心机转筒的顶部附近的顶板和更靠近基板的底板之间。进入的液体流经过一对进油口排出该中心管并由此流经顶板。顶板和离心机转筒的内表面上的肋结合一起使所述流体加速并引导其进入截锥体的堆叠排列的上部。当流流径向向内流经在相邻截锥体之间形成的通道时，实现颗粒的分离。当达到锥体的内径时，液体继续向下流至切向流喷嘴。
1997年6月10日授予的Herman等人的美国专利US5637217是在美国专利US5575912基础上的部分继续申请。专利US5637217公开了一种用于从循环液体中分离颗粒物质的旁路离心机。这种离心机的结构包括一中空的大致圆柱形的离心机转筒，该转筒与基板配置在一起，从而形成一个液体流动腔。一中空的中心管轴向上向上延伸穿过基板而进入离心机转筒的中空内部。该旁路离心机设计成组装到一盖组件内，且在基板上的一对相对布置的切向流喷嘴用来使盖内的离心机旋转，从而将颗粒从液体中分离出。离心机转筒的内部包括多个截锥体，这些截锥体布置成堆叠排列，且紧密地间隔开，从而提高分离效率。进入的液体经一对进油口从中心管排出，并流至锥体的堆叠排列。在一个实施例中，顶板和离心机转筒的内表面上的肋结合一起使流体加速并使其流入截锥体的堆叠排列的上部。在另一实施例中，堆叠排列布置成为一次性的分组件部件。在每个实施例中，当流体流经过相邻锥体之间形成的通道时，实现颗粒的分离，且液体继续向下流至切向流喷嘴。
2000年1月25日授予Herman的美国专利US6017300公开了一种用于从循环液体中分离颗粒物质的叠锥式离心机。这种离心机的结构包括一叠锥式分组件，该分组件构形有一中空的转子中心体，且构造成绕一轴线转动。叠锥式分组件安装在一中心管轴上，该中心管轴连接于一基部组件的中空的基部中心体上。该基部组件还包括一液体入口孔、第一通道和连接于所述第一通道的第二通道。该液体入口孔通过第一通道连接于中空的基部中心体。轴承装置位于转子中心体和中心管轴之间，用于使叠锥式分组件的转动。一冲击式涡轮机叶轮安装在转子中心体上，且流体射流喷嘴朝向涡轮机叶轮对准定位。该流体射流喷嘴连接于第二通道，以便使液体射流对准涡轮机叶轮，从而将转动运动传递到叠锥式分组件上。流体射流喷嘴的液体借助液体入口孔进入叠锥式离心机。同一液体入口孔还提供经叠锥式分组件循环的液体。
2000年2月1日授予Herman的美国专利US6019717是在美国专利US6017300基础上的部分继续申请。专利US6019717公开了一种类似于原专利的结构，但该结构包括组装到流体射流喷嘴内的附加蜂窝状插入件，以便降低入口孔紊流并提高涡轮机的效率。
由专利US5575912、US5637217、US6017300和US6019717的发明提供的分离效率增加部分是由于在锥体-锥体间的间隙上的沉淀距离减小。在本发明的构思过程中，理论上推定通过将叠锥式分组件换成具有恒定轴向横截面几何形状的一系列辐射状螺旋形叶片或板可以实现相同的效果。如在此将详细描述的本发明的螺旋形叶片整体地连接于中心体和顶板。该优选实施例描述了这种成为一体和模制组合的零部件组合，而形成一个单独部件。顶板与壳体的内表面上的加速叶片协同工作，使排出的流体流从离心机的中心部分流至流体入口孔所在的顶板的外周边缘部分。位于顶板的外周边缘附近的分流器挡板用于防止流体从入口孔转向或旁路，以致此后经过叶片间隙之间的外部周边进入螺旋形叶片组件。如果流体流可以以这种方式运行，那么因为颗粒在该区域喷出，所以可能导致紊流和某种程度的颗粒重新夹带。在每一螺旋形叶片的结构中，外周边缘形成有紊流防止部分，该防止部分延伸每一螺旋形叶片的整个轴向长度，作为进一步降低外部的静止浆渣收集区和流体流经的相邻螺旋叶片的间隙之间的流体相互作用的装置，从而实现颗粒的分离。根据本发明的理论构思，实际实现了颗粒的减少。其中进行了测试，以便确认本发明的优点和改进。
在US5575912、US5637217、US6017300和US6019717中公开的这些发明的商业实施例使用了一种叠锥式分组件，该分组件包括20至50个单个锥体之间的堆叠体，在与衬里壳体和基板组装之前，或者在一次性转子设计方案的情况下与中心体或转轴部分组装之前，这些锥体必须分别模制、堆叠并对齐。这种特定的结构由于需要大量的模具而导致加工成本更高，且由于需要分别堆叠和对齐每一单个锥体的时间而导致组装成本更高。本发明的“单体模制螺旋件”构思能用一个模制的部件代替现有技术的全部单个锥体。包括单体式组件的螺旋形叶片可以与用于该组件的中心体部分和所述的顶板一起同时注模制成。或者，这些单体的螺旋叶片可以与中心体一起挤制而成，然后组装到分开模制的顶板上。即使在这种本发明的制造方法的替代方案中，总的部件数将从20至50个分离部件减少为两件。
本发明提供了上述叠锥技术的一种替代设计方案。如美国专利US5575912、US5637217、US6017300和US6019717中公开的自驱动叠锥设计方案的设计新颖性和性能优点已经在实际应用中得到了证明。虽然在本发明中已经保留了这些早期发明成功之处的某些“关键内容”，即自驱动思想和锥体间间隙的较小沉积距离，但基本设计已经改变。竖直层叠的单独模制的锥体被单个的螺旋形叶片组件代替是显著的结构变化，且认为是代表本领域新的、非显而易见的进步。
发明内容
根据本发明的一个实施例，一种用于从流经离心机的液体中分离出颗粒物质的离心机，其包括基座、组装到该基座上且与之一起形成一个中空的内部空间的离心机壳体、具有转动中心轴线且组装带该基座内并穿过该中空的内部空间延伸的中空转子中心体、定位于该中空的内部空间内并与该中空转子中心体配合的支撑板在支撑板和中空转子中心体之间形成一个流体出口，以及定位于中空的内部空间内的分离的叶片组件，且该叶片组件构造和布置成围绕中空转子中心体延伸，且由支撑板支撑，该分离的叶片组件包括多个轴向延伸且间隔开的分离叶片。
本发明的一个目的是提供一种包括分离的叶片组件的改进型自驱动离心机。
从下面的描述中，本发明的目的和优点将更加明显。
附图说明
图1是根据本发明的典型实施例的自驱动离心机的全剖面正视图的；
图1A是沿线1A-1A观察到的图1所示离心机的局部顶视剖面图；
图1B是利用图1中的视线1A-1A观察到的本发明另一实施例的局部顶视剖面图；
图2是沿图1中的线2-2观察到的图1所示离心机的全剖面顶视图；
图3是模制的螺旋形叶片组件的顶部透视图，该叶片组件包含根据本发明的图1所示离心机的一部分；
图4是图3所示螺旋形叶片组件的底部透视图；
图5是图3的螺旋形叶片组件的两个螺旋形叶片和对应的颗粒路径的局部顶视示意图；
图6是示出了与根据本发明的图3所示螺旋形叶片组件相比的现有技术的叠锥式分组件并排对比的全剖正视图简图；
图7A是根据本发明的另一叶片式样的顶视图简图；
图7B是根据本发明的又一叶片式样的顶视图简图；
图7C是根据本发明的又一叶片式样的顶视图简图；
图8是根据本发明的另一实施例的冲击式涡轮机驱动的离心机的全剖面正视图；
图8A是与图8所示离心机相关联的冲击式涡轮机的顶视图简图；
图9是根据本发明的另一实施例的一次性转子的全剖面正视图；
图10是根据本发明的另一实施例的冲击式涡轮机驱动的离心机的全剖面正视图；
图11是在图10所示离心机中使用的螺旋形叶片组件的全剖面正视图；
图12是图11所示螺旋形叶片组件的正视图；
图13是图11所示螺旋形叶片组件的透视图；
图14是图11所示螺旋形叶片组件的顶视图；
图15是示出了三种设计方案的相邻螺旋形叶片之间相对流速的流体动力学计算图。
具体实施方式
为了有助于本发明原理的理解，现在将参照图中所示的实施例，并使用专用语言来描述所述实施例。然而应当理解的是这并非试图对本发明的范围进行限制，且对于本发明所涉及领域的技术人员来说，通常可以相象到所示装置的这种替代方案和进一步的改型以及在此所述的本发明原理的其他应用。
参照图1和2，其中示出了一种具有单体的螺旋形叶片组件21的自驱动离心机20，该螺旋形叶片代替了早期设计中的叠锥式分组件，比如在美国专利US5575912、US5637217、US6017300和US6019717中公开的那些早期设计。1996年11月19日授予Herman等人的美国专利US5575912在此引证作为参考。1997年6月10日授予Herman等人的美国专利US5637217在此引证作为参考。2000年111月25日授予Herman美国专利US6017300在此引证作为参考。以及2000年2月1日授予Herman美国专利US6019717在此引证作为参考。
离心机20的整个封装和结构的大部分与引用的两份美国专利中公开的内容相同。明显的差别是现有技术的叠锥式分组件由本发明的螺旋形叶片组件21代替。为了容纳所述的螺旋形叶片组件21，还包括其他较小的结构变化，如在图6中的局部的并排对比中示出。
离心机20以非常类似于’912和’217专利中所述的方式运行，其中它经对应支撑基座(未示出)上的入口孔接收液体输入流，通常是油。在该基座中的连接通道使液体流入该转子中心体的中空内部，该转子中心体也称为轴承管22。然后液体向上流动，直到顶部的管孔23。通常有四个孔23，它们围绕管22的上周向表面等距地间隔开。液体经这些孔23排出，且当它进入螺旋形叶片组件21附近时径向向外流动。衬里24的上部分构形有整体模制的加速叶片25，它们相配合而形成流体通道(在每一对相邻的加速叶片之间有一个通道)。这些加速叶片，通常是等间距的四个、六个或八个，有利于油(或其他液体)的径向向外流动，并将液体流输送到入口孔26的位置，该入口孔在螺旋形叶片组件21的顶板27上模制成。衬里24被组装于基座29上的壳体28所包围。液体进入入口孔26并流经螺旋形叶片组件21，最后在组件21的下边缘31处排出。在该位置处，流体流过支撑基板33和轴承管22或转子中心体的外表面之间的环形间隙空间32。流出的流体继续流至两个流动射流口34(在剖面图中仅一个可见)。这两个流动射流口表示用于两个切向射流喷嘴的内部开口。从每个喷嘴口排出的高速射流产生反作用扭矩，该扭矩随后以3000至6000rpm的足够高的速度驱动(转动)离心机20，以便在液体流经螺旋形叶片组件21的同时实现螺旋形叶片组件中的颗粒分离。除了在螺旋形叶片组件21内发生的情况以及组件21的结构与’912和’217专利中所述的叠锥式分组件结构明显不同之外，流经离心机20的液体包括具体的流动路径和用于离心机20自驱动的排出液体的使用，基本上与美国专利US5575912、US5637217、US6017300和US6019717中公开的相同。
继续参照图1和2，螺旋形叶片组件21位于衬里24内，基本上与现有技术的叠锥式分组件所占据的位置相同。组件21包括顶板27和一系列同样构成且等距隔开(见间隙37)的螺旋形叶片38。“等距间隔开”的概念指的仅是从螺旋形叶片到螺旋形叶片，而不是通过沿径向向外方向移动的相邻叶片形成的间隔或间隙的均匀模式。当从内部中心体部分39的位置朝外边缘40逐渐向外移动时，相邻叶片38之间的间隔或间隙37逐渐变大(即周向上变宽)。
整个螺旋形叶片组件21由塑料模制成一个整体的单件式部件。单独的叶片38沿其内边缘连接至中心管或中心体部分39，该中心体部分设计成在轴承管上滑动，或者也称作离心机转子中心体22。通过相对于转子中心体的外径适当地确定中心体部分39的内径41，可以形成精密误差的同心配装。这样进一步有助于总体平衡，由于离心机转动的速度，而希望保持这种总体平衡。
螺旋形叶片组件21形式上为环形的，带有排列在一起的单个的螺旋形叶片38(总计34个)，从而形成大致圆柱形的形式。模制的中心体部分39也是圆柱形。顶板27大致形式上为圆锥形，但它包括围绕中空的内部42的大致扁平的环形部分27a。可以想到的是，顶板27的几何形状可以具有半球形的上表面。而且作为组件21的一部分并位于顶板27的外周边43附近的是一分流器挡板44。分流器挡板44也具有环形环形状，且径向向外沿水平方向延伸。在顶板27上模制的多个入口孔26位于顶板的外周边43附近，且还接近并靠近挡板44开始的位置。在图2的剖面中，入口孔26和挡板44以虚线示出，因为它们实际上在剖面2-2之上。虚线用于示意性地示出这些结构相对于叶片38的位置。
从管孔23排出且由此沿入口孔26的方向前进的流体流实际上通过处于对应于入口孔26的位置(径向)的加速叶片25而“掉落”。流体经这些入口孔流过顶板27，其中一个入口孔对应在每一对相邻螺旋形叶片38之间的一个分离间隙37。当流体流经过入口孔进入每一间隙37时，由于在转子中心体的外表面和基板的内边缘之间的流体出口的位置，它沿径向向内且轴向向下的方向流经间隙。流体动力学是这样的，即从管口23流出的流体流趋于均匀地分布在顶板的表面上，因此经34个入口孔26均匀地分布。如所述的，一个入口孔对应一个间隙，且一个间隙对应一个叶片38。当液体流从较宽的外部位置流经每一间隙37到达转子中心体附近的更窄的内部位置时，由于离心机的高速转动，离心作用力作用在较重的颗粒物质上，使它们逐渐沿径向向外的方向移动，汇集在螺旋形叶片的凹面上，并继续向外滑动，最终从组件排出，并积聚在位于组件21的外周边和衬里壳体24的内表面之间的浆渣收集区。在图5中示意性地示出了颗粒45的一种可能的颗粒路径。
分流器挡板44沿径向方向向外大致从入口孔26的位置延伸至衬里24的内表面48附近且不接触的位置。分流器挡板44防止流体在入口孔26附近旁路，而扰动收集浆渣(即分离出的颗粒物质和少许油)的静止区50。通过防止流体扰乱静止区50，本发明的设计方案还在很大程度上防止了已经从流动液体中分离出的颗粒物质的重新夹带。重新夹带的概念包括已经从液体流中分离出的松散的或拾取的某些颗粒物质，并使其回到液体中，从而抵消已经完成的工作。还应注意的是，在分流器挡板44和衬里24的内表面48之间的间隔距离足够大，以使可能在加速叶片25的区域内分离出的较大颗粒物质排入静止区50。
当液体流经过入口孔26进入分离间隙37时，它在间隙内散开，且径向向内并轴向向下朝下边缘31前进，在下边缘处流体通过余隙空间32排出。通过使用基板33防止流体流旁路预定的流经间隙37，其中该基板封闭除了由余隙空间32形成的流体开口之外的任何其他流出路径，该余隙空间32是由基板33的内部圆形边缘51和轴承管22或已称为转子中心体的外表面52形成的(见图1A)。
在本发明的另一实施例中(见图1B)，基板33a延伸接触轴承管22从而封闭余隙空间32。为了形成一流体路径，在基板33a上大致与余隙空间32相同的位置处形成多个余隙孔33b。为图示简化起见，在图1A和1B的剖面图中已经省略了单个叶片38。实际上任何类型的开口都可以代替圆形孔33b使用，包括径向和/或周向槽。
参照图3、4和5，其中示出了螺旋形叶片组件21的结构细节。图3和4是模制的单体式组件21设计的透视图。图5示出了一对螺旋形叶片38和位于其间的间隙37的顶视平面示意图。如在关于流体路径的内容中的部分描述，螺旋形叶片组件21包括34个叶片38，每一叶片实际上都是相同的结构，且一体地连接成一个整体的模制组件。这34个螺旋形叶片38中的每一个都作为该整体结构的一部分沿其最上边缘整体地连接到顶板27的下侧或下表面上。每一螺旋形叶片38都沿轴向方向朝其对应的下边缘31远离顶板延伸。每一叶片的内边缘相配合形成内部中心体部分39。每一螺旋形叶片38包括一凸出的外表面55和一下凹的内表面56。这些表面限定的基本均匀厚度约为1.0mm(0.04英寸)的螺旋形叶片。一个叶片的凸出表面55与相邻叶片的下凹表面56配合，形成这两个叶片之间的对应间隙37。叶片之间的间隙的宽度或其周向厚度随着叶片向外延伸而增加。
随着每一螺旋形叶片38沿远离内部中心体部分39的径向向外的方向延伸，它变得弯曲(弯曲部分57)而部分围绕对应的入口孔26。当弯曲部分57远离入口孔位置切向延伸时，其形成一紊流防止部分58。一个螺旋形叶片38的紊流防止部分58沿基于顶视平面图的逆时针方向朝相邻叶片周向延伸。在一个叶片上的一个防止部分58的自由端或边缘和相邻螺旋形叶片上的弯曲部分57之间形成一分离间隙59。该分离间隙实际上是一轴向或全长切口，且在周向上测量的宽度约为1.8mm(0.07英寸)。与交替的分离间隙59配合的每一紊流防止部分58的较小曲率形成一种大致圆柱形的形式，这种形式确定了位于顶板27下方的螺旋形叶片组件21的最外表面。
每一螺旋形叶片从其内边缘到其外弯曲部分的弯曲部分具有独特的几何形状。从离心转动的轴向中心线60a到34个螺旋形叶片38的任一叶片上的交点61所作的线60与交点处的螺旋形叶片弯曲部分的切线62形成45度的夹角60b(图2)。这种独特的几何形状适用于每一螺旋形叶片主体的凸出和下凹部分，且不包括弯曲部分57或紊流防止部分58。在优选实施例中为45度的夹角可以称作螺旋形叶片组件以及对应离心机的螺旋形叶片角。可以想象，夹角的优选范围可以是30至60度。在前面引用的’912和’217专利中定义了一个根据每一锥体的锥形壁的斜率或坡度通常为45度的锥角，本发明定义了一个螺旋形叶片角。
在流体流经过间隙37的过程中，由于径向离心力分量的作用，待分离的颗粒物质通常沿径向向外的路径漂移通过相邻叶片38之间的间隙。相对于流动方向，这种颗粒物质实际上以类似于前述’912和’217专利中的叠锥式分组件设计中的方式漂向上游。一旦含有需要从液体流中分离的颗粒物质的颗粒到达对应叶片的下凹内螺旋表面时(见图5)，由于流体边界层造成没有流速时，它们径向向外迁移。这种径向向外的路径沿浆渣收集的方向或静止区50的方向。然后颗粒经连续的轴向切口从螺旋形叶片组件“掉出”，该轴向切口位于对应螺旋叶片的周向间断的紊流防止部分之间(即分离间隙59)。如所述的，紊流防止部分的功能是降低间隙37和浆渣收集区(静止区50)中的流体之间出现的流体相互作用。虽然该浆渣收集区称之为“静止区”，但选用该术语是表示优选的或所希望的状态。理想情况下，该浆渣收集区50将是完全静止，实际上没有紊流且没有使任何颗粒物质重新夹带回液体流的危险。如顶视平面图所示，紊流防止部分58目前布置成产生或确定一个圆形轮廓。然而，希望在本发明的范围内，每一紊流防止部分58可以稍向外倾斜，以便使可能收集在每一紊流防止部分内表面上的颗粒物质也“滑出”而进入收集区。因为在每一螺旋形叶片的弯曲部分处实际上产生了一个拐角，所以存在着某些颗粒物质可能积聚在该拐角的趋势。通过使紊流防止部分倾斜，使该拐角打开，可以有使任何收集的颗粒物质滑出而进入浆渣收集区(静止区50)的更大趋势。在图5中由虚线示出了这种紊流防止部分的替代形状。
在流体流离开相邻螺旋形叶片之间的间隙而从转子中心体附近的余隙排出之后，它流到喷嘴处，在此以高速排放，由于反作用力而致使转子高速转动。作为这种结构的另一替代方式，该专用的转子可以由安装在转子上的冲击涡轮机驱动。此外，模制的螺旋形叶片组件“包封”在类似于美国专利US5637217中公开的容纳浆渣的衬里壳/基板组件中。这种特定的结构使该离心机转子的维修更快、更容易，因为浆渣全部容纳在内舱中，不需刮擦或清洗。或者，本发明的螺旋形叶片组件可以代替用作完全一次性离心机转子设计的一部分的叠锥式分组件。
参照图6，其中在离心机63的左侧示出了典型现有技术的叠锥式分组件64的一半，在右侧示出了根据本发明的螺旋形叶片组件21的一半。图6是用于强调前面的描述，即表示本发明的螺旋形叶片组件21可以代替如美国专利US5575912、US5637217、US6017300和US6019717中所示的现有技术的叠锥式分组件。虽然在这两种式样之间对应基板65和33的设计稍有变化，但对于每种类型来说离心机结构的平衡实际上是相同的。
参照图7A、7B和7C，其中示出了三个用作螺旋形叶片组件的一部分的螺旋形叶片式样的替代设计的实施例。虽然仍然保持在本发明的理论和功能的范围内，且仍然保持用螺旋形叶片组件代替现有技术的叠锥式分组件的思想，且可以使用这些替代方式的任何一个。
在图7A中，组件21的弯曲的螺旋形叶片38用具有基本上平坦表面的叶片68来代替。叶片68偏置而向外延伸，但不是以完全径向的方式。图7A的顶视平面图示出了共24个叶片或线性板68，但实际数目可以根据离心机的整体尺寸、液体的粘度和所需效率以及要分离的颗粒尺寸的变化增加或减小。每一板的螺旋角(α)或斜率是另一变量。虽然每一板68都设定相同的径向角(α)，但选定的角度可变化。角度的选择部分取决于离心机的转动速度。
在图7B中，单个叶片69是弯曲的，类似于叶片38的式样，但具有更大的曲率，即更大的凹度。而且，当远离轴承管22延伸时，每一叶片69具有逐渐增大的曲率。这种叶片形状称作“超螺旋”，且以下面的方式确定其几何形状。首先，利用从轴承管22的轴向中心线所作的径向线72，该轴向中心线也是组件21的轴向中心线，使该线与一个叶片上的凸出表面上的点73相交。画出到该交点73的切线74，在切线和径向线之间形成一个夹角75。该夹角75的大小随着交点73进一步远离轴承管22移动而增大。这种替代的螺旋形叶片实施例的原理是在g力随着离转动轴线的距离成比例增加时使每一叶片的形状能保证恒定的颗粒滑移率。除了每一叶片69的曲率之外，图7B示意性示出的螺旋形叶片组件与螺旋形叶片组件21相同。
在图7C中，用于对应的组件的螺旋形叶片设计是基于图7B的叶片69设计的，除了增加局部分裂的叶片70之外。在每一对完整叶片69之间有一个分裂叶片70，且在整个组件中每一叶片的尺寸、形状和位置相同。分裂的叶片70类似于涡轮增压压缩机中使用的叶片，以便在叶片数目和叶片间距受到中心体内径处的紧密间隔限制时增加总的叶片表面积。
本发明的其他设计变量或需要考虑的事项包括制造和模制方法的变化。例如，模制叶片(或板)的大致圆柱形状可以作为一个连续部件挤制而成，然后在所需的轴向长度或高度处切断，并组装到单独制造、一般模制成的顶板上。如前所述，所述顶板模制有作为组件21的一部分的所需入口孔和分流器挡板。
对于本发明来说可以想到的另一设计变型是将螺旋形叶片组件分成两部分，上半部分和匹配的下半部分。这种制造技术将用来避免可能由于紧密的叶片-叶片间隔而造成的模制困难。在将这两半部分制成之后，使它们连接在一起形成一个完整的组件。在这种方案中，可以想到的是顶板与叶片分组件的上半部分以整体的方式模制成，而基板与叶片组件的下半部分以整体的方式模制成。
螺旋形叶片组件21和/或图7A、7B和7C的三种替代的(螺旋)叶片式样之一可以与冲击式涡轮机驱动类型的离心机80结合使用，如图8和8A所示。对于该图来说，已经使用了螺旋形叶片组件21。在图8A中示意性示出了冲击式涡轮机装置81。
还可以想到的是，螺旋形叶片组件21和/或图7A、7B和7C的三种替代的(螺旋)叶片式样之一可用作一次性转子82的一部分，该转子适于与相配合的离心机(未示出)使用。在图9中已经包括了螺旋形叶片组件21。还可以想到，图9的一次性转子82可与冲击式涡轮机驱动类型的离心机结合使用，比如离心机80。
在图10中示意性示出了具有冲击式涡轮机装置81的冲击式涡轮机驱动类型的离心机80a。该离心机80a包括一根据本发明的另一实施例的螺旋形叶片组件91。应当理解的是，螺旋形叶片组件91可用于其他类型的离心机。类似于上述的离心机，离心机80a具有形成多个顶部管孔23a的轴承管22a。在运行过程中，顶部管孔23a向螺旋形叶片组件91提供液体。
如图11-14所示，螺旋形叶片组件91包括中心管或中心体部分92、多个叶片94和顶板95。在图11中，中心管92沿离心机80a的转动中心轴线L延伸。叶片94沿径向向外的方向从中心管92延伸，且叶片94沿转动中心轴线L延伸。如图14所示，每一叶片94具有连接于中心管92的内部径向边缘98，和远离中心管92延伸的外部径向边缘98。叶片94的内部径向边缘98形成叶片内径VID，而外部径向边缘99形成叶片外径VOD。在一种形式中，中心管92、叶片94和顶板95一起整体模制成，从而使螺旋形叶片组件91是一单体结构。如所示的，叶片94具有螺旋形状，但应当理解的是，叶片94也可以其他方式成形/构造成，比如上述和/或在图7A-C所述的结构。
再次参照图11，顶板95在中心管92的第一(入口)端部分100连接，该第一端部分与中心管92的第二(出口)端部分101相对。中心管92的较小部分102在顶板95之上延伸。应当理解的是，顶板95可以与中心管92的上边缘103平齐。如图10所示，中心管92不沿叶片91的整个长度延伸。而且，在中心管92的第一端部分100处，中心管92的上边缘103与叶片94的内部径向边缘98一起形成多个流体入口孔通道106。类似地，在第二端部101处，中心管92的下边缘104与叶片94的内部径向边缘98一起形成多个流体出口通道107。在流体入口孔通道106处，叶片94的上部分108延伸穿过顶板95并位于其上方。在离心机80a的运行过程中，叶片94的上部分108防止流体沿顶板95滑动。
参照图11，顶板95具有通常锥形的形状，其包括内部平坦部分110、外部倾斜部分111、外周边缘112和连接于中心管92的内边缘113。当相对于转子转动的流体运动最小时，产生超细(亚微)颗粒收集的保持力。人们发现，当顶板95的外边缘112大致位于叶片内径VID和叶片外径VOD之间的距离的四分之一(1/4)至四分之三(3/4)之间时(图14)，在浆渣收集区50a(图10)产生最小的平均相对速度。尤其是，当顶板95具有约是叶片内径VID和叶片外径VOD之间距离的一半的外径POD时，浆渣收集区50a中的相对平均速度最小。换言之，顶板95的最佳的直径约是螺旋形叶片内径VID(中心体直径)和螺旋形叶片外径VOD的平均值，从而使顶板95的外边缘112在从转动中心轴线L沿径向线测量时的叶片94的一半长度处终止。例如，如果螺旋形叶片内径VID是两英寸(2”)，而螺旋形叶片外径VOD是5英寸(5”)，那么最佳直径将是约为3.5英寸((5”+2”)÷2＝3.5”)。在图11中示出这种关系的另一图，其中顶板9 5的顶板宽度PW是叶片94的宽度VW的一半。
在图15中，计算出的流体动力学(CFD)分布图114示出了顶板95的外边缘位于叶片94的内部径向边缘98和外部径向边缘99之间的优点。图114示出了在三种不同的条件下相邻螺旋形叶片94之间的流体通道中的流体速度梯度115。这些流体速度梯度115是从垂直于转动中心轴线L且位于转子的轴向中点(即在顶板95和底部出口之间的一半)处的切断面观察到的。在图114中，图示部分120示出了当在离心机80a中没有使用顶板95时速度梯度115的分布情况。图示部分121示出了当顶板95的外径POD约为叶片内径VID和叶片外径VOD之间距离的一半时速度梯度115的分布情况。图示部分122示出了当顶板直径POD等于叶片外径VOD时速度梯度115的分布情况。
与图示部分121相比较，图示部分120和122示出的无顶板和全顶板设计分别具有较大的速度梯度115。当没有顶板95时(图示部分120)，流体通道的整个轴向长度的体积平均相对速度值为0.023米/秒。在示出的示例中，螺旋形叶片组件91沿逆时针方向转动，从而在每一叶片94的前表面上形成压力面124。如图示部分120所示，采用没有顶板95的设计，在螺旋形叶片组件91的压力面124上存在着较大的速度梯度。应当理解的是，螺旋形叶片组件91适于以顺时针方式转动。当顶板外径POD等于叶片外径VOD时(图示部分122)，体积平均相对速度值为0.021米/秒。如图示部分122所示，在顶板95终止的叶片94的外边缘99处形成较大的速度梯度115。当顶板直径POD是叶片内径VID和叶片外径VOD之间距离的一半时(图示部分121)，在叶片94的压力面124和外边缘99处的速度梯度115减小。采用这种设计，流体的平均速度减小到0.006米/秒。这样流体速度的全面减小改善了超细颗粒的收集。
虽然已经在附图和前面的描述中详细示出和描述了本发明，但这些都应认为是示例性的，而非限制性的，应理解的是仅示出和描述了优选实施例，而所有变化和改进将落入本发明的构思之内。

Claims (42)

1.一种离心机，其包括：
具有转动中心轴线的分离叶片组件，所述分离叶片组件包括：
沿所述转动中心轴线延伸的中心体部分；
在所述中心体部分的一端形成多个入口孔的板；以及
多个叶片，每一叶片具有连接于所述中心体部分的内部径向边缘，所述叶片从所述中心体部分沿径向向外的方向延伸，所述叶片从所述板沿所述转动中心轴线延伸。
2.如权利要求1所述的离心机，其特征在于，相邻的成对的叶片的每一对在其间形成一个分离间隙；且所述入口孔定位成与每个所述分离间隙对应。
3.如权利要求2所述的离心机，其特征在于，每一所述叶片包括部分围绕其中一个所述入口孔的弯曲部分。
4.如权利要求1所述的离心机，其特征在于，所述叶片与所述板和所述中心体部分整体地形成。
5.如权利要求1所述的离心机，其特征在于，所述板为锥形。
6.如权利要求1所述的离心机，其特征在于，所述叶片为螺旋形。
7.如权利要求6所述的离心机，其特征在于，从所述转动中心轴线延伸的与其中一个所述叶片在一交点处相交的径向延伸线与从所述交点所作的切线形成一个30至60度的角。
8.如权利要求1所述的离心机，其特征在于，所述叶片具有超螺旋形。
9.如权利要求1所述的离心机，其特征在于，所述叶片具有平面形。
10.如权利要求1所述的离心机，其特征在于，其还包括一或多个设于相邻的成对的叶片之间的部分分裂的叶片。
11.如权利要求1所述的离心机，其特征在于，所述叶片等距间隔开。
12.如权利要求1所述的离心机，其特征在于，所述板包括位于所述板的外周边缘处的分流器挡板。
13.如权利要求1所述的离心机，其特征在于，相邻的成对的叶片的每一对在其间形成一间隙，所述间隙具有随所述间隙相对于所述转动轴线沿径向向外的方向延伸而增加的宽度。
14.如权利要求1所述的离心机，其特征在于，每一所述叶片具有一降低颗粒重新夹带的紊流防止部分。
15.如权利要求1所述的离心机，其特征在于，其还包括滑动地容纳在所述中心体部分中的转子中心体。
16.一种离心机，其包括：
具有转动中心轴线的分离叶片组件，所述分离叶片组件包括：
沿所述转动中心轴线延伸的中心体部分；
从所述中心体部分沿径向向外的方向延伸的多个叶片，所述叶片沿所述转动中心轴线延伸；以及
每一所述叶片具有相对于所述转动中心轴线周向延伸且形成降低颗粒重新夹带的紊流防止部分的外周边缘。
17.如权利要求16所述的离心机，其特征在于，其还包括设于所述中心体部分的一端的板。
18.如权利要求17所述的离心机，其特征在于，所述板形成多个入口孔。
19.如权利要求17所述的离心机，其特征在于，所述板具有位于所述中心体部分和所述叶片的所述外周边缘之间的外边缘。
20.如权利要求19所述的离心机，其特征在于，所述板的所述外边缘位于所述中心体部分和所述叶片的所述外周边缘之间距离的一半处。
21.如权利要求17所述的离心机，其特征在于，所述叶片与所述板和所述中心体部分整体地成形。
22.如权利要求17所述的离心机，其特征在于，所述板包括位于所述板的外边缘处的分流器挡板。
23.如权利要求16所述的离心机，其特征在于，
所述叶片为螺旋形；以及
从所述转动中心轴线延伸的与其中一个所述叶片在一交点处相交的径向延伸线与从所述交点所作的切线形成一个30至60度的角。
24.如权利要求16所述的离心机，其特征在于，所述叶片具有超螺旋形。
25.如权利要求16所述的离心机，其特征在于，其还包括滑动地容纳在所述中心体部分中的转子中心体。
26.一种离心机，其包括：
具有转动中心轴线的分离叶片组件，所述分离叶片组件包括
沿所述转动中心轴线延伸的中心体部分；
从所述中心体部分沿径向向外的方向延伸的多个弯曲叶片，所述叶片沿所述转动中心轴线延伸；以及
其中，每一所述叶片具有超螺旋形，其中从所述转动轴线所作的径向延伸线与其中一个所述叶片在一交点处相交，所述径向延伸线和从所述交点所作的切线形成一个随着所述交点远离所述中心体部分移动而逐渐增加的角。
27.如权利要求26所述的离心机，其特征在于，其还包括在所述中心体部分的一端形成的板。
28.如权利要求27所述的离心机，其特征在于，所述板形成多个入口孔。
29.如权利要求27所述的离心机，其特征在于，
所述叶片具有外周边缘；以及
所述板具有位于所述中心体部分和所述叶片的所述外周边缘之间的外边缘。
30.如权利要求29所述的离心机，其特征在于，所述板的所述外边缘位于所述中心体部分和所述叶片的所述外周边缘之间距离的一半处。
31.如权利要求26所述的离心机，其特征在于，每一所述叶片具有降低颗粒重新夹带的紊流防止部分。
32.如权利要求26所述的离心机，其特征在于，其还包括滑动地容纳在所述中心体部分中的转子中心体。
33.一种离心机，其包括：
具有转动中心轴线的分离叶片组件，所述分离叶片组件包括：
沿所述转动中心轴线延伸的中心体部分；
设于所述中心体部分的一端部的板；
多个叶片，每一叶片具有连接于所述中心体部分的内部径向边缘和外部径向边缘，所述叶片从所述中心体部分沿径向向外的方向延伸，所述叶片从所述板沿所述转动中心轴线延伸；以及
其中所述板具有一外边缘，该外边缘终止于所述叶片的所述内部径向边缘和所述外部径向边缘之间距离的四分之一至四分之三处。
34.如权利要求33所述的离心机，其特征在于，所述板终止于所述叶片的所述内部径向边缘和所述外部径向边缘之间距离的一半处。
35.如权利要求33所述的离心机，其特征在于，所述叶片具有超螺旋形。
36.如权利要求33所述的离心机，其特征在于，每一所述叶片具有降低颗粒重新夹带的紊流防止部分。
37.如权利要求33所述的离心机，其特征在于，所述叶片与所述板和所述中心体部分整体地形成。
38.如权利要求33所述的离心机，其特征在于，所述板具有锥形。
39.如权利要求33所述的离心机，其特征在于，其还包括一或多个位于相邻的成对的叶片之间的部分分裂的叶片。
40.如权利要求33所述的离心机，其特征在于，所述叶片等距间隔开。
41.如权利要求33所述的离心机，其特征在于，每一所述叶片具有在所述板上方延伸的部分，以减小沿所述板的滑移。
42.如权利要求33所述的离心机，其特征在于，其还包括滑动地容纳在所述中心体部分中的转子中心体。
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