DE10125808A1 - Zentrifugalseparator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zentrifugalseparator (100) mit einem Zentrifugengestell (40), einer rotierbaren, vertikal angeordneten Spindel (10) mit einer Trommel (12) und einem Motor (90) mit vertikaler Rotorachse (91), wobei die Spindeln (10) in einem Lagertopf (20) drehbar und um einen Gelenkpunkt (G) gegenüber dem Zentrifugengestell (40) räumlich pendelbar gelagert ist. Erfindungsgemäß ist der Motor (90) mit seinem Gehäuse starr an dem Zentrifugengestell (40) befestigt, wobei die Rotorachse (91) des Motors (90) im Ruhezustand mit der Längsachse (11) der Antriebsspindel (10) fluchtet. Der Rotor des Motors (90) ist an einem Kupplungspunkt (K) über ein biegeelastisches Kupplungselement (70) mit der Spindel (10) verbunden. Die Spindel (10) ist an wenigstens zwei beabstandet voneinander angeordneten Lagerstellen (22, 14) mittels Wälzlagern in dem Lagertopf (40) gelagert; der Lagertopf (20) ist über elastische Lagerelemente (50) mit dem Zentrifugengestell (40) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zentrifugalseparator mit einem Zentrifugengestell, einer rotierbaren, vertikal angeordneten Spindel mit einer darauf aufgesetzten Trommel und mit einem Motor, dessen Rotorachse vertikal angeordnet ist, wobei die Spindel in einem Lagertopf drehbar und um einen Gelenkpunkt gegenüber dem Zentrifugengestell räumlich pendelbar gelagert ist.

Aus der DE 31 25 832 ist ein gattungsgemäßer Zentrifugalse­ parator bekannt. Hierbei fällt der Schwerpunkt der pendeln­ den Antriebsteile mit dem Gelenkpunkt zusammen, der im Be­ reich des einzigen Lagers liegt. Die rotierende Einheit aus Spindel und Trommel ist in einem Lagertopf über Wälzlager drehbar gelagert. Der Lagertopf einschließlich der rotieren­ den Einheit ist pendelnd in dem Zentrifugengestell aufge­ hängt. Hierzu werden Schlitzbuchsen oder dergleichen vorge­ schlagen, die eine Winkelabweichung der Rotationsachse ge­ genüber der Vertikalen erlauben. Durch diese konstruktiven Ausbildungen wird die Massenwirkung der Spindel um ein Viel­ faches gesenkt. Es können Trommeln mit wesentlich größerem Gewicht und Trommeln, die mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden, eingebaut werden. Infolge der kurzen Spin­ del ist eine große Steifigkeit gegeben. Die bekannte Zentri­ fuge wird jedoch über einen Riemen angetrieben. Der Riemen stellt ein Verschleißteil dar, das eine erhöhte Wartung nach sich führt. Schlupf im Riementrieb führt zu Verlusten bei der Antriebsleistung. Soweit die durch Schlupf entstehende Reibungswärme nicht mehr vom Gestell an die Umgebung abgege­ ben werden kann, heizt sich das Gestell zunehmend auf. Der bekannte Separator mit Riementrieb ist daher in vielen exp­ losionsgefährdeten Umgebungen nicht erwünscht. Auch ist die durch den Riementrieb übertragbare Antriebsleistung be­ grenzt.

In der DE 37 14 627 A1 ist ein Zentrifugalseparator offen­ bart, bei dem der Motor direkt mit der Spindel verbunden ist. Die Zentrifugentrommel, die Spindel und der Motor bil­ den insgesamt eine pendelnde Einheit, die über zwei Lager­ stellen so in dem Zentrifugengestell gelagert ist, dass eine Pendelbewegung um einen Drehpunkt im Bereich einer unteren Lagerstelle möglich ist. Die obere Lagerstelle ist über e­ lastische Elemente mit dem Gestell verbunden und gibt somit gegenüber einer Auslenkung der Spindel während des Betriebs der Zentrifuge nach. Damit werden die auf die obere Lager­ stelle wirkenden Kräfte reduziert. Nachteilig an dieser An­ ordnung ist aber, dass die untere Lagerstelle zugleich als Drehgelenk fungieren muss und dazu geeignete Spezialausfüh­ rungen von Wälzlagern erfordert. Durch den mit der Spindel und Trommel pendelnden Motor sind Größe und Gewicht des Mo­ tors begrenzt und damit auch die verfügbare Motorantriebs­ leitung.

Aus der DE 43 14 440 C1 ist ein weiterer Zentrifugalsepara­ tor bekannt, bei dem die Antriebsspindel, die Trommel und der Rotor des Motors starr miteinander verbunden sind und ein rotierendes System bilden, das unelastisch in einer La­ gerbrücke gelagert ist. Die Lagerbrücke und der Stator des Motors sind zusammen elastisch mit dem Zentrifugengestell verbunden. Das rotierende System pendelt im Betrieb der Zentrifuge um einen Gelenkpunkt. Aufgrund der zu beherr­ schenden Massenkräfte und Lagerbelastungen ist die bekannte Bauweise für schwere Motoren mit hoher Antriebsleistung nicht geeignet.

Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Zentrifugalseparator anzugeben, der in explosionsgefährdeten Umgebungen einsetz­ bar ist und bei dem Standard-Motoren mit hoher Antriebsleis­ tung einsetzbar sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Zentrifugalseparator der ein­ gangs genannten Art dadurch gelöst,

• - dass der Motor mit seinem Gehäuse starr an dem Zentrifu­ gengestell befestigt ist, wobei die Rotorachse des Motors im Ruhezustand des Zentrifugalseparators im wesentlichen mit der Längsachse der Antriebsspindel fluchtet,
• - dass der Rotor des Motors an einem Kupplungspunkt über ein biegeelastisches Kupplungselement mit der Spindel verbunden ist, und dass die Spindel an wenigstens zwei beabstandet voneinander angeordneten Lagerstellen mittels Wälzlagern in dem Lagertopf gelagert ist und
• - dass der Lagertopf über elastische Lagerelemente mit dem Zentrifugengestell verbunden ist.

Vorteilhaft hieran ist, dass der Motor von der Kreiselbewe­ gung von Spindel und Trommel entkoppelt ist. Das zwischen Motor und Spindel vorgesehene biegeelastische Kupplungsele­ ment kann einen Winkelversatz zwischen den Achsen, wie auch einen geringen radialen Versatz kompensieren, so dass keine starke Biegebelastung der Motorwelle und der Rotorlager des Motors auftritt. Damit ist die kostengünstige Verwendung von Standard-Motoren möglich. Durch die ortsfeste Anbringung des Motors am Zentrifugengestell ist die Masse des pendelnden Systems um die Motormasse reduziert und es ist möglich, schwere Motoren mit hoher Antriebsleistung einzusetzen.

Durch die direkte Ankopplung des Motors an die Spindel tre­ ten im Antriebsstrang keine starken Leistungsverluste mehr auf, die zu einer Gestellerwärmung führen könnten, so dass die erfindungsgemäße Zentrifuge grundsätzlich für den Ein­ satz in einer explosionsgefährdeten Umgebung geeignet ist.

Die Lagerung des rotierenden Systems in einem Lagertopf, der über elastische Lagerelemente mit dem Gestell verbunden ist, führt dazu, dass sich ein Winkelversatz nur zwischen Lager­ topf und Gestell einstellt, wohingegen der Winkelversatz zwischen Innenring und Außenring der jeweiligen Lager stark reduziert ist. Damit können Standard-Wälzlager eingesetzt werden.

Die sich im Betrieb des Separators einstellende Neigung der Drehachse gegenüber einer Vertikalen bewirkt, dass eines der zwischen Lagertopf und Gestell angeordneten elastischen La­ gerelemente gestaucht wird, während ein gegenüberliegendes gedehnt wird. Durch eine Verteilung einer Vielzahl von La­ gerelementen entlang des Umfangs eines Kragens des Lagertop­ fes kann die Stauchung bzw. Dehnung der Lagerelemente umlau­ fend mit der Kreiselbewegung des rotierenden Systems erfol­ gen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Lagertopf mit einem Lagertopfkragen über wenigstens drei elastische Lagerelemen­ te auf das Zentrifugengestell aufgesetzt ist und wenn der Lagertopf mit einem Lagertopfkragen über wenigstens drei e­ lastische Lagerelemente auf das Zentrifugengestell aufge­ setzt ist und dass an dem Lagertopfkragen wenigstens drei parallel zur Längsachse angeordneter Führungsstift befestigt sind, die jeweils in eine kompatible Bohrung im Zentrifugen­ gestell eingreifen und die in axialer Richtung verformbar und/oder in den Bohrungen axial verschiebbar angeordnet sind. Die Führungsstifte sind innerhalb der Bohrung axial verschiebbar oder zumindest so weit verformbar, dass eine Relativbewegung zwischen Lagertopfkragen und Gestell in Richtung der Längsachse möglich ist. Während die zwischen Lagertopfkragen und der Oberseite des Zentrifugengestells angeordneten Lagerelemente die axialen Kräfte aufnehmen, wird der Lagertopf durch die Führungsstift zusätzliche in radialer Richtung festgelegt. Damit ist es möglich, dass der Lagertopf sich umlaufend mit der Kreiselbewegung von Trommel und Spindel schräg neigt und wieder aufrichtet und dabei stets eine definierte Lage in Bezug auf das Zentrifugenge­ stell beibehält. Der Gelenkpunkt liegt damit immer im we­ sentlichen auf der Längsachse und wandert nicht radial aus.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des Zentrifugalsepa­ rators der Erfindung in schematischer Schnittan­ sicht;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des Zentrifugalsepa­ rators der Erfindung, ebenfalls in Schnittan­ sicht; und

Fig. 3a, 3b den Lagertopf bei der Ausführungsform nach Fig. 2 in verschiedenen Winkelstellungen, in Schnittansicht.

In Fig. 1 ist ein Zentrifugalseparator 100 in einer voll­ ständigen Schnittansicht dargestellt. An der Unterseite ei­ nes auf einem Fundament 2 angeschraubten Zentrifugenge­ stells 40 ist ein Motor 90 befestigt. In die Oberseite des Gestells 40 ist ein Lagertopf 20 eingesetzt, der über elas­ tische Lagerelemente 50 und über Führungsstifte 30 gehalten ist. In dem Lagertopf 20 ist eine vertikal angeordnete Spin­ del 10, auf die eine Trommel 12 aufgesetzt ist, drehbar ge­ lagert.

Die Spindel 10 ist mit dem Motor 90 über ein biegeelasti­ sches Kupplungselement 70 verbunden. Zur Momentenübertragung können als Kupplungselement eine genutete Kupplungsbuchse und eine Passfeder vorgesehen sein. Die Längsachse 11 der Spindel 10 und die Rotorachse 91 laufen im Ruhezustand des Zentrifugalseparators 10 in Flucht.

Der Lagertopf 20 weist insbesondere einen Lagertopfkra­ gen 21, eine obere Lagerstelle 22 und eine untere Lagerstel­ le 24 auf. In den Lagerstellen 22, 24 ist die Spindel 10 ü­ ber Wälzlager drehbar gelagert.

Zwischen der Oberseite des Gestells 40 und der Unterseite des Lagertopfkragens 21 sind über den Umfang verteilt eine Vielzahl von Lagerelementen 50 angeordnet. Weiterhin sind wenigstens zwei Führungsstifte 30 vorgesehen, die in kompa­ tible Bohrungen im Zentrifugengestell 40 eingreifen. Die Führungsstifte 30 sind axial elastisch und/oder axial ver­ schiebbar angeordnet und gegenüber radialen Belastungen weitgehend unelastisch.

Am Kupplungspunkt K ist die Spindel 10 über das biegeelasti­ sches Kupplungselement 70 mit dem Motor 90 verbunden, so dass ein Winkelversatz zwischen der Rotorachse 91 und der Längsachse 11 der Spindel 10, der auf eine Kreiselbewegung des rotierenden Systems aus Spindel 10 und Trommel 12 zu­ rückzuführen ist, ermöglicht ist. Dabei pendelt das rotie­ rende System um den Gelenkpunkt G; Spindelachse 11 und die Rotorachse 91 schneiden sich im Gelenkpunkt G. Der Kupp­ lungspunkt K wird bei einer Schrägstellung der Spindelach­ se 11 geringfügig radial nach außen ausgelenkt, wodurch auch die Welle des Motors 90 eine Schrägstellung erfährt. Der Kupplungspunkt K ist so nah wie möglich an den Gelenkpunkt G herangelegt, um den zu kompensierenden Winkelversatz zwi­ schen Spindelachse 11 und Rotorachse 91 so klein wie möglich und damit die Belastung der Lager im Motor 90 gering zu hal­ ten.

Die Kupplung 70 kann weiterhin so ausgebildet sein, dass ein geringer radialer Versatz zwischen den Achsen 11 und 91 aus­ geglichen werden kann. Zusätzlich ist eine drehelastische Ausbildung möglich, um Drehmomentspitzen beim Betrieb des Systems abzufedern.

Als besonders geeignet hat es sich erwiesen, wenn der Ab­ stand des Kupplungspunktes K zum Gelenkpunkt G das 0,1fache bis 0,25fache des Abstands des Gelenkpunkts G zum Schwer­ punkt S des rotierenden Systems aus Trommel 12 und Spin­ del 10 beträgt. Bei dieser Geometrie ist die Belastung der Lager des starr am Gestell 40 verschraubten Motors 90 gering und führt zu keiner wesentlichen Verkürzung der Lebensdauer des Motors 90.

In einer weiteren Ausführungsform eines Zentrifugalsepara­ tors 100', die in Fig. 2 dargestellt ist, sind die Lager­ punkte der Führungsstifte 30' gegenüber dem Kupplungsele­ ment 70 so tief am Gestell 40' angeordnet, dass der Gelenk­ punkt G mit dem Kupplungspunkt K' zusammenfällt. Damit kann die Schrägstellung der Spindelachse 11 im Betrieb vollstän­ dig innerhalb des Kupplungselements 70 kompensiert werden. Der Kupplungspunkt bleibt auch während des Betriebes der Zentrifuge auf der Längsachse 91 des Motors 90, so dass die Rotorachse 91 des Motors 90 nicht mehr ausgelenkt und insge­ samt durch die Kreiselbewegung des rotierenden Systems kaum noch belastet wird.

Die Fig. 3a und 3b zeigen die Ausrichtung des Lagertop­ fes 20 gegenüber dem Gestell 40' in verschiedenen Stellungen bei der Ausführungsform der Zentrifuge 100' gemäß Fig. 2, bei der der Gelenkpunkt G' mit dem Kupplungspunkt K zusam­ menfällt.

Die Spindel 10 ist über Wälzlager, insbesondere Schrägkugel- und Rollenlager, an den Lagerstellen 22, 24 innerhalb des Lagertopfes 20 gelagert. An der Unterseite des Lagertopfkra­ gens 21 sind die Führungsstifte 30' befestigt. Diese weisen einen Kegelabschnitt 32' auf und einen Zylinderab­ schnitt 34', der in eine Buchse 35' eingesetzt ist. Die Buchse 35' umfasst vorzugsweise eine elastomere Schicht, die von einem inneren und einem äußeren Mantel aus Metall umge­ ben ist. Über die Buchse 35' wird der Führungsstift 30' in eine Bohrung 44' in dem Gestell 40' eingesetzt. Der Füh­ rungsstift 30' ist über die Buchse 35' radial steif in dem Gestell 40' gelagert, während in axialer Richtung bei einer Schrägstellung des Lagertopfes 20 eine geringfügige axiale Verschiebung des Führungsstiftes 30' innerhalb der Boh­ rung 44' möglich ist.

Weiterhin sind zwischen dem Gestell 40' und dem Lagertopf­ kragen 21 mehrere Lagerelemente 50 vorgesehen, die vorzugs­ weise aus elastomeren Werkstoffen bestehen. Die Gewichts­ kräfte des rotierenden Systems werden von der Spindel 10 ü­ ber den damit starr verbundenen Lagertopf 20 auf die Lager­ elemente 50 übertragen und dann in das Gestell 40' eingelei­ tet.

In der in Fig. 3a dargestellten Ausgangsstellung ist die Längsachse 11 der Spindel 10 vertikal ausgerichtet und die Lagerelemente 50 sind gleichmäßig axial belastet. Eine Sym­ metrieebene 36' läuft etwa auf halber Höhe durch den Mittel­ punkt der Lagerbuchsen 35'. Der Gelenkpunkt G' bzw. Kupp­ lungspunkt K liegen auf dem Schnittpunkt der Symmetrieebe­ ne 36' mit den Längsachsen 91 bzw. 11.

In Fig. 3b ist durch die Kreiselbewegung und -kräfte des ro­ tierenden Systems aus Trommel, Spindel 10 und Unwucht des Systems eine Schrägstellung der Längsachse 11 um einen Win­ kel α erfolgt, und der Lagertopf 20 ist um diesen Winkel um den Gelenkpunkt G gedreht. Auf der einen Seite ist ein La­ gerelement 50 zwischen Lagertopfkragen 21 und Gestell 40' gestaucht und auf der anderen Seite eines gedehnt. Durch die in den verformten, elastomeren Lagerelementen 50 gespeicher­ te Federenergie wird ein rückstellendes Moment erzeugt, dass zusammen mit dem Kreiselmoment eine Aufrichtung des rotie­ renden Systems bewirkt.

Mit der Schrägstellung des Lagertopfes 20 wird der in Fig. 3b links angeordnete Führungsstift axial nach unten verschoben, während der rechte Führungsstift angehoben wird. Die axialen Wege der Führungsstifte 30' sind kurz, da die Führungsstifte in geringem radialen Abstand vom Gelenk­ punkt G' angeordnet sind, und werden vorzugsweise durch die elastische Ausbildung der Buchse 35' ermöglicht. Durch die Führungsstifte 30' wird erreicht, dass der Lagertopf 20 ra­ dial steif gelagert ist, so dass die Lage des Gelenkpunk­ tes G' gegenüber dem Gestell 40' weitgehend konstant ist, und dass der Lagertopf 20 andererseits gegenüber einer durch das rotierende System aufgezwungenen Schrägstellung der Spindel 10 nachgiebig ist.

Da Gelenkpunkt G' und Kupplungspunkt K bei der Ausführungs­ form der Zentrifuge 100' gemäß den Fig. 2, 3a und 3b zu­ sammenfallen, wird der Versatz um den Winkel α vollständig in dem Kupplungselement 70 kompensiert, so dass die Rotor­ achse 91 ihre Lage unverändert beibehält.

Claims (6)

1. Zentrifugalseparator (100; 100') mit einem Zentrifugenge­ stell (40; 40'), einer rotierbaren, vertikal angeordneten Spindel (10) mit einer darauf aufgesetzten Trommel (12) und mit einem Motor (90), dessen Rotorachse (91) verti­ kal angeordnet ist, wobei die Spindel (10) in einem La­ gertopf (20) drehbar und um einen Gelenkpunkt (G; G') ge­ genüber dem Zentrifugengestell (40; 40') räumlich pendel­ bar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet,
dass der Motor (90) mit seinem Gehäuse starr an dem Zentrifugengestell (40; 40') befestigt ist, wobei die Rotorachse (91) des Motors (90) im Ruhezustand des Zentrifugalseparators (100; 100') im wesentlichen mit der Längsachse (11) der Antriebsspindel (10) fluchtet,
dass der Rotor des Motors (90) an einem Kupplungs­ punkt (K) über ein biegeelastisches Kupplungselement (70) mit der Spindel (10) verbunden ist, und dass die Spindel (10) an wenigstens zwei beabstandet voneinan­ der angeordneten Lagerstellen (22, 24) mittels Wälzla­ gern in dem Lagertopf (40; 40') gelagert ist und
dass der Lagertopf (20) über elastische Lagerelemente (50) mit dem Zentrifugengestell (40; 40') verbunden ist.

2. Zentrifugalseparator (100, 100') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gelenkpunkt (G; G') im Bereich der Symmetrieebene der unteren Lagerstelle (24) liegt.

3. Zentrifugalseparator (100) nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, dass der Abstand des Kupplungs­ punktes (K) zum Gelenkpunkt (G) dem 0,1fachen bis 0,25fachen des Abstands des Gelenkpunkts (G) zum Schwer­ punkt (S) des rotierenden Systems aus Trommel (12) und Spindel (10) beträgt.

4. Zentrifugalseparator (100') nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, dass der Kupplungspunkt (K) im we­ sentlichen mit dem Gelenkpunkt (G') zusammenfällt.

5. Zentrifugalseparator (100; 100') nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagertopf (20) mit einem Lagertopfkragen (21) über wenigstens drei e­ lastische Lagerelemente (50) auf das Zentrifugengestell (40; 40') aufgesetzt ist und dass an dem Lagertopfkragen (21) wenigstens drei parallel zur Längsachse (11) ange­ ordnete Führungsstifte (30; 30') befestigt sind, die je­ weils in eine kompatible Bohrung (44') im Gestell (40; 40') eingreifen und die in axialer Richtung verform­ bar und/oder in den Bohrungen (44') axial verschiebbar angeordnet sind.

6. Zentrifugalseparator nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Führungsstifte (30; 30') jeweils über eine Buchse (35') in die Bohrung (44') eingesetzt sind.