DE10334762A1

DE10334762A1 - Zentrifugenrotor mit Niederdruckabsperrung und Kapazitätssensor

Info

Publication number: DE10334762A1
Application number: DE10334762A
Authority: DE
Inventors: Peter K. Cookeville Herman; Kevin Cookeville South
Original assignee: Fleetguard Inc
Current assignee: Cummins Filtration Inc
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2023-07-31
Also published as: US20040023782A1; US6821241B2; DE10334762B4; GB0317730D0; GB2393408A

Abstract

Eine Zentrifuge zum Trennen partikulären Materials von einem Fluid umfasst ein Gehäuse mit einem Basisteil, das einen Fluideinlass definiert, und eine Rotorbaugruppe in dem Gehäuse, die ein Zentralrohr und eine Welle umfasst. Die Welle definiert eine Mehrzahl von Fluidauslassöffnungen und einen Fluidkanal, der in fluidischer Verbindung mit diesen steht. Der Fluidkanal kommuniziert mit dem Fluideinlass, derart, dass der Zentrifuge zugeführtes Öl durch einen Abschnitt der Zentrifugenwelle strömt und aus den Fluidauslassöffnungen austritt. In das Zentralrohr ist eine Ablenkhülse über einen Presssitz eingesetzt, welche anfangs derart positioniert ist, dass sie die Fluidauslassöffnungen abdeckt, wenn die Ablenkhülse sich in einer ersten Position befindet. Die Ablenkhülse ist mit der Rotorbaugruppe in eine zweite Position bewegbar, in welcher die Mehrzahl von Fluidauslassöffnungen nicht abgedeckt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Gestaltung eines Zentrifugenrotors, der eine Strömungsabsperr-Ablenkvorrichtung aufweist, die in eine Rotorbaugruppe eingebaut ist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Gestaltung eines rotorförmigen Ablenkrings, der über einen Presssitz in ein Zentralrohr eingepasst ist und über einer in einer Rotorwelle definierten Fluideinlassöffnung angeordnet ist, um die Fluidströmung in den Zentrifugenrotor zu steuern.

Bei vielen kleinen Motoren, ist die Schmierpumpe hinsichtlich einer maximalen Kraftstoffwirtschaftlichkeit ausgelegt, wobei jedoch als Folge davon während des Leerlaufbetriebs (oder des Betriebs bei niedriger Drehzahl) ein gefährlich niedriger Öldruck auftreten kann, insbesondere dann, wenn parasitäre Vorrichtungen (Zusatzausstattung oder eine Nebenzentrifuge) hinzugefügt werden. Demzufolge streben viele Motorhersteller eine Begrenzung der Ölströmung zu parasitären Vorrichtungen, wie beispielsweise einer Nebenschmierzentrifuge, bei Niedrig-Öldruckzuständen an, wie sie beispielsweise während des Motorleerlaufs auftreten. Das Ziel liegt dabei darin, kritischen Motorkomponenten, wie beispielsweise einem Turbolader, einem Ventilzug etc., Maximalöldruck bereitzustellen.

In der Vergangenheit wurde diese Funktion dadurch bereitgestellt, dass dem Einlass der Zentrifuge ein federvorgespannter Ventilkolben hinzugefügt wurde. Allerdings erhöht dies beträchtlich die Kosten und die Komplexität des Zentrifugengehäuses. Dieser spezielle Ansatz führt auch zu einer gewissen Einschränkung der Ölströmung, was zu einer reduzierten Zentrifugenrotor-Drehzahl führt. Die vorliegende Erfindung stellt eine ähnliche Niederdruck-Absperrfunktion als Teil einer Zentrifuge bereit, ohne zusätzlich merkliche Kosten an dem Rotor oder dem Gehäuse zu erzeugen.

Zusätzlich besteht der Wunsch von Kunden (Zentrifugenbenutzern), dass sie erkennen können oder darüber informiert werden, wann aufgrund der Menge oder des Grads einer Schlammansammlung ein gefüllter Rotorzustand vorliegt. Um den maximalen Wert des Zentrifugenrotors auszunutzen, ist es wichtig, einen verfrühten Service oder ein verfrühtes Ersetzen des Rotors zu vermeiden. Es hat sich herausgestellt, dass die Rotorgeschwindigkeit nicht spürbar abnimmt, wenn der Rotor (vollständig) mit Schlamm beladen ist. Die Drehzahlreduzierung der Rotordrehrate ist nicht groß genug, um einen brauchbaren Hinweis (aus der Drehzahlreduzierung) für die Bedienungsperson abzuleiten. Mittels der vorliegenden Erfindung wird erreicht, dass die Drehzahl auf einen Wert nahe Null reduziert wird, wenn der Rotor "voll " ist, wodurch ein einfacher und kostenwirksamer "Kapazitätssensor" in Verbindung mit der beschriebenen Niederdruck-Absperrfähigkeit bereitgestellt wird.

Abriss der Erfindung

Eine Zentrifuge zum Trennen partikulären Materials von einem Fluid umfasst ein Gehäuse mit einem einen Fluideinlass definierenden Basisteil, einer in dem Gehäuse montierten Rotorbaugruppe mit einem Zentralrohr, einer Welle, die sich durch einen Teil des Zentralrohrs erstreckt und eine Fluideinlassöffnung ausbildet, und einem Fluidkanal, der in fluidischer Verbindung mit dem Fluideinlass steht. Die Verbesserung der vorliegenden Erfindung umfasst eine Ablenkhülse, die in dem Zentralrohr eingebaut und derart positioniert ist, dass sie die Fluideinlassöffnung in der Welle abdeckt, während sie sich in einer ersten Position befindet, wobei die Ablenkhülse und die Rotorbaugruppe in eine zweite Position bewegbar sind, in welcher die Fluideinlassöff-nung der Welle von der Ablenkhülse nicht bedeckt ist.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine verbesserte Rotorbaugruppe für eine Zentrifuge bereitzustellen.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine vollständig geschnittene Vorderansicht einer Zentrifuge gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine teilweise vergrößerte, vollständig geschnittene Vorderansicht einer Ablenkhülse, die als Teil einer Rotorbaugruppe aus der Zentrifuge gemäß 1 ausgebildet ist, dargestellt in einer ersten Position.
3 ist eine teilweise vergrößerte, vollständig geschnittene Vorderansicht der Ablenkhülse und Rotorbaugruppe aus 2, dargestellt in einer zweiten Position.
4 ist eine vergrößerte vollständig geschnittene Vorderansicht der Ablenkhülse aus 2.
5 ist eine Ansicht der Ablenkhülse aus 4 von unten, gezeigt in vollständiger Dimension.
6 ist eine vergrößerte, vollständig geschnittene Vorderansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels der Ablenkhülse der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine Ansicht der Ablenkhülse aus 6 von unten, dargestellt in voller Größe.
8 ist eine fragmentarische Vorderansicht der Welle der Zentrifuge aus 1.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Zum Zwecke der Förderung eines Grundverständnisses der Prinzipien der Erfindung wird nun auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele Bezug genommen und es wird eine spezielle Terminologie verwendet, um diese zu beschreiben. Es ist allerdings selbstverständlich, dass dadurch keine Beschränkung des Rahmens der Erfindung beabsichtigt ist, so dass Veränderungen und weitere Modifikationen der dargestellten Vorrichtung und weitere Anwendungen der Prinzipien der dargestellten Erfindung darin mitumfasst sind und als dem Fachmann, auf den sich die Erfindung bezieht, normalerweise selbstverständlich anzusehen sind.
Nimmt man Bezug auf 1, so ist dort eine druckgetriebene Bypasszentrifuge 20 dargestellt, die eine Basis 21, ein äußeres Gehäuse 22, eine Rotorbaugruppe 23 und eine Welle 24 umfasst. Die Basis definiert einen Fluideinlass 27 und einen Abfluss 28. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das von der Zentrifuge 20 geförderte Fluid ein Öl eines Fahrzeugs/Motors (nicht dargestellt). Die Rotorbaugruppe 23 ist selbstantreibend und nützt die von den Strahldüsen 29 und 30 austretende Ölströmung, um eine Drehbewegung der Rotorbaugruppe 23 relativ zu der Basis 21 und dem Außengehäuse 22 zu bewirken. In dieser Hinsicht ist die Rotorbaugruppe 23 an der Welle 24 an den Stellen 31 und 32 über Lager angebracht. Die Rotorbaugruppe 23 umfasst ein Zentralrohr 35, das im Wesentlichen konzentrisch zu der Welle 24 verläuft und von der Welle beabstandet ist, so dass sich zwischen diesen ein ringförmi ger Zwischenraum 33 ausbildet. Obwohl als Teil von 1 dargestellt, wird eine Ablenkhülse 46, deren Gestalt und Funktion später beschrieben wird, nicht von der folgenden Beschreibung des Zentrifugenbetriebs mit umfasst. Es ist nützlich, den Zentrifugenbetrieb ohne Rücksicht auf die Ablenkhülse 46 zu verstehen, so dass die Vorteile der Ablenkhülse 46 deutlicher werden.
Betrachtet man nun den Betrieb der Zentrifuge 20, so ermöglicht der ringförmige Spielraum 33 eine Fluidströmung (Öl) zwischen der Welle 24 und dem Zentralrohr 35 nach oben, welche dann von der Rotorbaugruppe gefördert wird. Das geförderte Fluid wird als Fluid zum Antreiben der Rotorbaugruppendrehung über Strahldüsen 29 und 30 genutzt. Die Welle definiert einen zentralen Fluidkanal 36, der über die Basis 21 in fluidischer Strömungsverbindung mit dem Fluideinlass 27 steht. Die Welle 24 definiert wenigstens eine diese schneidende Bohrung, die sich durch die Seitenwand der Welle 24 hindurch erstreckt, so dass sie den Kanal 36 schneidet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erzeugt eine einzige schneidende Durchgangsbohrung zwei (um 180° voneinander entfernte) Wellen-Fluidauslassöffnungen 37a, 37b. Diese beiden Fluidauslassöffnungen stehen in fluidischer Verbindung mit dem Fluidkanal 36.
Im Betrieb tritt das Arbeitsfluid, vorzugsweise Öl, in die Zentrifuge 20 durch den Fluideinlass 27 in der Basis 21 ein. Die Ölströmung läuft durch den Kanal 36 und nach außen durch die beiden Auslassöffnungen (37a, 37b) in den ringförmigen Spielraum 33. Das Öl strömt weiter durch den Spielraum 33 nach oben und tritt dann an den Zentralrohr-Strömungsauslässen 40 aus und beginnt seinen Förderweg durch den Rotor-Fluidfördermechanismus 41, der im dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel aus 1 eine Konusstapel-Baugruppe ist. Da das Öl durch die Konusstapel-Baugruppe 41 gefördert wird, wird partikuläres Material von dem Öl durch die Zentrifugalwirkung getrennt, die sich aus der Drehzahl der Motorbaugruppe 23 ergibt. Das geförderte, (d.h. gereinigte) Ö1, das aus der Konusstapel-Baugruppe 41 austritt, tritt aus den Strahldüsen 29 und 30 aus und diese Hero-Turbinenwirkung führt zu einer selbstantreibenden Drehung der Rotorbaugruppe 23. Das aus den beiden Strahldüsen 29 und 30 austretende Ö1 strömt zurück zu einem Sumpf über den Ölabfluss 28 in der Basis 21.
Während die Rotorbaugruppe 23 auf der Welle 24 jeweils an oberen und unteren Lagerstellen 31 und 32 gelagert ist, ist die Rotorbaugruppe 23 dazu in der Lage, sich auf der Welle 24 axial in einer Richtung nach oben zu bewegen, wobei anzumerken ist, dass diese Axialbewegung in Richtung nach oben oder dieses Schweben bei volllem Betriebsdruck auftritt. Diese Axialbewegung/dieses Schweben wirkt dahingehend unterstützend, dass die Rotorbaugruppe 23 sich mit einer höheren Drehzahl dreht, was hinsichtlich der Zentrifugengestaltung wichtig und dadurch erleichtert ist, dass das Gewicht der Rotorbaugruppe 23 nicht auf dem Abstandsabschnitt 67 der Welle 24 aufliegt. Wenn der Innenraum der Rotorbaugruppe unter Druck gesetzt ist, wirkt der Fluiddruck über einen größeren Projektionsbereich an der oberen Lagerstelle im Vergleich zu dem Projektionsbereich an der unteren Lagerstelle, was zu einer Hubkraft führt. Diese Hubkraft ist eine Funktion des Fluiddrucks, der auf die Projektionsbereichdifferenz zwischen der oberen und der unteren Lagerstelle wirkt. Dieser besondere Aspekt der vorliegenden Erfindung wird nun nachfolgend detaillierter erläutert.
Ruft man sich nochmals einen der in dem "Hintergrund"-Absatz diskutierten Punkte in Erinnerung, so streben viele Motorhersteller danach, die Strömung zu parasitären Vorrichtungen bei Niederöldruckzuständen, wie beispielsweise Leerlauf- oder Niederdrehzahl-Betriebssituationen, zu begrenzen, um einen maximalen Öldruck an kritischen Motorkomponenten, wie beispielsweise Turboladern oder Ventilzügen, aufrechtzuerhalten. Parasitäre Vorrichtungen umfassen weniger kritische Motorkomponenten, wie beispielsweise eine Bypasszentrifuge, wie die Bypasszentrifuge 20. Eine Technik, die zum Steuern der Ölströmung zu einer Bypasszentrifuge genutzt werden kann, liegt darin, ein Niederdruckabsperrventil vorzusehen, so dass die Ölströmung unterhalb eines vorbestimmten Punkts, der auf dem Fluiddruckwert basiert, abgesperrt wird. Eine Technik, die zur Realisierung dieser Funktion eingesetzt wird, liegt darin, dem Fluideinlass einen federvorgespannten Ventilkolben zuzufügen. Ein Nachteil dieses Ansatzes liegt in den zusätzlichen Kosten und der Komplexität der Zentrifugengestaltung. Ferner besteht bei Druckabsperrventil-Gestaltungen dieser Art wahrscheinlich eine Einschränkung am Zentrifugeneinlass und dies beeinträchtigt die maximale Rotordrehzahl, was als Drehzahlnachteil hinsichtlich der Zentrifugenleistung anzusehen ist.
Ein weiteres Merkmal der Produktgestaltung, das für viele Kunden von Bedeutung ist, liegt in der Fähigkeit, erkennen zu können, wann ein "gefüllter" Rotor-Zustand vorherrscht. Um den Wert des Rotors durch Vermeidung eines vorzeitigen Service oder einer vorzeitigen Ersetzung zu maximieren, ist es erforderlich, zu erkennen, wann der Rotor mit gesammeltem Schlamm "gefüllt" ist. Die Aufgabe liegt darin, einen Weg zu finden, um zu erkennen, wann der Rotor gewartet oder ersetzt werden muss, da die Rotorbaugruppe innerhalb des äußeren Gehäuse 22 und der Basis 21 eingeschlossen ist. Obwohl bekannt ist, dass die Rotordrehzahl geringfügig abnimmt, wenn er vollständig mit Schlamm beladen ist, ist das Maß der Drehzahlabnahme nicht groß ge nug, um einen brauchbaren Hinweis für die Bedienungsperson daraus abzuleiten. Obgleich Rotordrehzahl-Erfassungsvorrichtungen verwendet werden, besteht derzeit noch nicht die Möglichkeit, allein auf Grundlage einer leichten Drehzahlabnahme zu bestimmen, wann der Rotor gefüllt ist. Die Bypasszentrifuge 20 aus 1 umfasst eine Drehzahlanzeige in Form einer LED-Anzeigebaugruppe 42, die einen Magneten 42 aufweist, welcher an der Rotorbaugruppe 23 angeordnet ist.
Nimmt man Bezug auf Verbesserungsfelder bei der Gestaltung einer Bypasszentrifuge, so setzt die vorliegende Erfindung gemäß dieser Beschreibung auf die Bereitstellung einer neuen und nicht naheliegenden Niederdruckabsperrstruktur, die auch dazu ausgelegt ist, eine zuverlässige Anzeige eines gefüllten Rotor-Zustands bereitzustellen. Der Fokus der vorliegenden Erfindung liegt auf der Gestaltung einer im Wesentlichen zylindrischen Ablenkhülse 46, die in das Zentralrohr 35 über einen Presssitz eingesetzt ist und um die Welle 24 herum positioniert ist, so dass sie in dem ringförmigen Spielraum 33 angeordnet ist. Während eine Presssitzanordnung bevorzugt ist, kann die Ablenkhülse 46 auch in Position innerhalb des Zentralrohrs und um die Welle herum durch die Verwendung eines Klebstoffs, durch Schweißen, Verschrauben oder sogar durch Einformen oder maschinelles Einarbeiten befestigt werden. Eine weitere Option liegt in einer Schnappverbindungs-Konstruktion. Die Ablenkhülse 46 ist derart ausgebildet, dass sie sich in einem normalerweise geschlossenen Zustand befindet, so dass sie über zwei Welleneinlassöffnungen aufgesetzt ist und diese abdeckt, welche in der Welle 24 ausgebildet und von den Bezugszeichen 37a und 37b bezeichnet sind. Aufgrund der Presspassung ist die Ablenkhülse derart ausgebildet, dass sie sich mit der Rotorbaugruppe 23 in Antwort auf einen eintretenden Fluiddruck in einer Richtung nach axial oben in einen "Offen"-Zustand bewegt, wenn dieser auf einem Druckniveau liegt, das ausreichend hoch ist, um das Gewicht der Rotorbaugruppe samt der Ablenkhülse 46 anzuheben.
Die Ablenkhülse 46 ist in 1 dargestellt und die Gestaltungsdetails der Ablenkhülse und der Betrieb sowie die Wechselwirkung mit der Rotorbaugruppe 23 werden nun im Zusammenhang mit den Zeichnungen gemäß 2 bis 8 beschrieben. Im Hinblick auf den "Offen"-Zustand, der vorstehend angesprochen wurde, ist dieser derart definiert, dass er diejenige Position der Ablenkhülse 46 wiedergibt, an welcher diese nicht die beiden Welleneinlassöffnungen (37a, 37b) abdeckt.
Mit Bezug auf 2 bis 8 sind die Details der Ablenkhülse 46 und ihrer Montage in das Zentralrohr (Presssitz) und auf der Welle 24 als Teil der Rotorbaugruppe 23 dargestellt. Die Ablenkhülse 46 weist eine am ehesten im Wesentlichen rohrförmige oder zylindrische Struktur auf und weist, wie dargestellt, eine obere Radialwand 49, eine untere Radialwand 50 und eine zylindrische Seitenwand 51 auf, die sich axial zwischen der Wand 49 und der Wand 50 erstreckt. Mit Bezug auf 4 und 5 sind eine Reihe von acht strömungsdefinierenden Rippen 51a vorgesehen, die sich über annähernd die gesamte Höhe (Länge) der Seitenwand 51 axial erstrecken und die entlang der äußeren Umfangsfläche 51b der Seitenwand 51 mit gleichen Abständen zueinander versehen sind. Die Erstreckung nach außen (das Vorspringen) jeder Rippe 51a ist derart gewählt, dass die Durchmessergröße über jedes diametral entgegengesetzte Paar von Rippen 51a einen Presssitz gegenüber der Oberfläche des Zentralrohrs 35 bildet. Die Spielräume 51c, die zwischen jedem benachbarten Paar von Rippen 51a ausgebildet sind, nehmen die Konfiguration axial verlaufender Fluidströmungskanäle an, wenn sie von der Innenoberfläche des Zentralrohrs 35 einmal umgeben sind. Wie beschrieben wird, bewirkt das Einpassen der Ablenkhülse 46 in das Zentralrohr 35 über Presssitz, dass die Ablenkhülse 46 und die Rotorbaugruppe 23 sich als eine Einheit (axial) bewegen. Folglich bewegt sich die Rotorbaugruppe mit der Ablenkhülse und umgekehrt, wenn die Ablenkhülse sich einmal in axial nach oben gerichteter Richtung bewegt oder anhebt. Wenn sich die Ablenkhülse 46 auf diese Art und Weise anhebt, werden die beiden Welleneinlassöffnungen (wiedergegeben durch 37a, 37b) derart dargeboten, dass aus diesen Wellenauslassöffnungen ausströmendes Öl durch den ringförmigen Spielraum 33 an der Ablenkhülse 46 durch Strömen durch die acht Spielräume 51c vorbei nach oben strömen kann.
Die Ablenkhülse 46 ist ein einstöckiges Element, wobei die obere radiale Wand 49 ein im Wesentlichen kreisförmiges Durchgangsloch 52 definiert und die untere radiale Wand 50 ein im Wesentlichen kreisförmiges Durchgangsloch 53 definiert. Das Durchgangsloch 52 weist eine Durchmessergröße von etwa 0.015 ± 0,000025 m (0,59 ± 0,001 Zoll) auf und das Durchgangsloch 53 weist eine Durchmessergröße von näherungsweise 0,022 ± 0,000025 m (0,831 ± 0,001 Zoll) auf. Die Konfiguration der Durchgangslöcher 52 und 53 mit verschiedenen Durchmessergrößen entspricht der Gestaltung der Welle 54, die mit zwei Hauptabschnitten 54 und 55 und einer dazwischenliegenden Phasen(Abschrägungs)-Schnittstelle 56 ausgebildet ist. Der durchschnittliche Durchmesser des Bereichs 54 liegt bei 0.015 ± 0,000025 m (0,59 ± 0,001 Zoll) und der durchschnittliche Durchmesser des Bereichs 55 liegt bei 0,021 ± 0,000025 m (0,827 ± 0,0005 Zoll). Wie aus einer Betrachtung dieser Dimensionen ersichtlich wird und wie in 2 und 3 dargestellt, sitzt die Ablenkhülse 46 eng auf der Welle 24, so dass der Wellenabschnitt 54 in das Durchgangsloch 52 hinein passt und der Wellenabschnitt 55 in das Durchgangsloch 53 hinein passt. Da die Ablenkhülse 46 per Presssitz in das Zentralrohr eingesetzt ist, bewegen sich diese bei den Elemente als eine Einheit zusammen. In der Querschnittsansicht aus den 2 und 3 erscheint die obere radiale Wand 49 wie zwei radiale Lippen, die die Außenoberfläche des Wellenabschnitts 54 berühren, und die untere radiale Wand 50 erscheint wie zwei radiale Lippen, die die Außenoberfläche des Schaftabschnitts 55 berühren. Es besteht ein sehr enger Sitz der Wände 49 und 50 auf ihren korrespondierenden Wellenabschnitten 54 und 55, der ausreichend stark ist, um an beiden Stellen eine Schnittstelle mit minimaler Leckage im Hinblick auf die erwartete Viskosität des Öls in einem normalen Betriebstemperaturenbereich zu erzeugen. Obwohl ein minimales Leckagespiel an beiden Stellen auftritt, ist die Ablenkhülse 46 zusammen mit der Rotorengruppe 23 relativ zu der Welle 24 weiterhin axial in einer Richtung nach oben bewegbar.
Wie in 2 dargestellt, führt die Position der Ablenkhülse 46 auf der Welle 24 dazu, dass sich die zylindrische Seitenwand 51 in einer blockierenden Position über den beiden Wellenauslassöffnungen 37a, 37b befindet. Obwohl die Ablenkhülse 46 dazu ausgelegt ist, sich entlang der restlichen Rotorbaugruppe 53 in Antwort auf einen Öldruck oder in einem "offen"-Zustand (siehe 3) anzuheben oder zu schweben, muss die von dem aus den Wellenauslassöffnungen 37a, 37b austretenden Öldruck ausgeübte Kraft auf einem Wert sein, welcher ausreichend ist, um das Gewicht der Rotorbaugruppe 23 zu überwinden. Ein "niedriger" Öldruck, der als der vorbestimmte Druck definiert ist, bei welchem oder unterhalb welchem kein Öl der Zentrifuge zugeführt wird, wird im Hinblick auf die Berücksichtigung des gesamten Gewichts der Rotorbaugruppe 23 gewählt. Die Differenzflächen der oberen und unteren radialen Wand 49 und 50, die dem aus den Wellenauslassöffnungen 37a, 37b austretenden Öl dargeboten werden, sind zwar anfangs von Bedeutung, schließlich ist aber die Differenz der Projektionsflächen zwischen dem oberen Lager und dem unteren Lager maßgeblich dafür, um die sich ergebende Hubkraft zu definieren.
Bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist es wichtig, zu erkennen, dass eine leere Rotoranordnung vorliegen kann, die gerade mit Öl gefüllt werden kann, oder eine volle Rotoranordnung vorliegen kann, wobei der Motor zu einem Leerlaufoder Niederdrehzahlzustand übergeht. Beginnt man mit einer leeren Rotorbaugruppe 23 und lässt man eine Ölströmung (unter Druck) in die Zentrifuge 20 einströmen, so verteilt der sich ergebende Strömungsweg das Öl zu den Auslassöffnungen 37a, 37b in der Welle 24 und somit in die Ablenkhülse 46. Die Differenz der oberen und unteren Projektionsflächen der Ablenkhülse führt zu einer resultierenden Fluidruckkraft, die auf die obere Wand der Ablenkhülse in Richtung nach oben wirkt. Wenn der Öldruck groß genug ist, um eine Kraft zu erzeugen, die das Gewicht der Rotorbaugrup pe 23 übersteigt, so hebt sich die Rotorbaugruppe 23a oder "schwebt" relativ zu der Welle 24 nach oben. Dieser angehobene Zustand ist in 3 dargestellt. Sobald die Ablenkhülse 46 einen Punkt erreicht, bei welchem die Wellenauslassöffnungen 37a, 37b dargeboten (das heißt nicht blockiert) sind, strömt das eintretende Öl in den Spielraum 33 und in die Rotorbaugruppe 23 nach unten sowie mittels der von den Spielräumen 41c in der Ablenkhülse 46 ausgebildeten Kanälen nach oben.
Da sich die Rotorbaugruppe 23 mit Öl füllt, nimmt ihr Gewicht zu, und wenn der Fluid(Öl)-Druck zu dem Zeitpunkt nicht groß genug ist, um eine ausreichende Kraft zu erzeugen, die dieses erhöhte Gewicht der Rotorbaugruppe übersteigt, "sinkt" die angehobene Rotorbaugruppe ab oder senkt sich. Da die Ablenkhülse auf eine tiefere Position zusammen mit der Rotorbaugruppe 23 sinkt, werden die Auslassöffnungen 37a, 37b in der Welle wieder von der Ablenkhülse 46 abgedeckt und der aufgefangene eintretende Ölstrom bewirkt, dass der Fluiddruck sich innerhalb der Ablenkhülse aufbaut und wiederum die Ablenkhülse und die Rotorbaugruppe 23 als Einheit anhebt.
Wenn mehr Öl in die Rotorbaugruppe 23 einströmt, steigt das Gesamtgewicht wiederum an und zwar auf einen noch höheren Wert und der zyklische Prozess des Schwebens und Sinkens der Rotorbaugruppe setzt sich in etwa oszillierender Art und Weise solange fort, bis die Rotorbaugruppe mit Öl gefüllt ist. Schließlich verbleibt die gefüllte Rotorbaugruppe in einer angehobenen Position, da das Druckniveau, wie es von den Strahldüsen 29 und 30 gedrosselt wird, gemäß der Differenz der Projektionsfläche nahe dem oberen Lager gegenüber der Projektionsfläche nahe dem unteren Lager groß genug ist, um die mit Öl gefüllte Rotorbaugruppe anzuheben.
Nun soll die Situation einer gefüllten, sich im Gleichgewicht befindlichen Rotorbaugruppe 23 und einer Reduktion des Öldrucks aufgrund einer Drehzahlverringerung betrachtet werden, wie es sich beispielsweise bei einem Leerlaufzustand einstellt. Da der Öldruck reduziert wird, wird auch die Hubkraft reduziert. Wenn dies geschieht sinkt die Rotorbaugruppe ab, die immer noch im Wesentlichen mit Öl gefüllt ist, und die Ablenkhülse 46 deckt kurzzeitig die Wellenauslassöffnungen 37a, 37b ab. Wenn viele Wellenauslassöffnungen wieder durch die Ablenkhülse 46 abgedeckt sind, wird die Ölströmung zu der Zentrifuge gestoppt. Da der Öldruck an diesem Punkt nicht ausreichend groß ist, um das Rotorbaugruppengewicht anzuheben, wird die Ablenkhülse nicht angehoben und die Auslassöffnungen in der Welle bleiben durch die Ablenkhülse bedeckt, wodurch die Ölströmung blockiert wird.
Die vorstehende Erläuterung des Betriebs wird um die folgende Beschreibung erweitert. Nimmt man weiter Bezug auf 4, so erkennt man, dass aufgrund der Tatsache, dass die Seitenwand 51 eine zylindrische Innenoberfläche 51d mit gleichmäßigem Innendurchmesser aufweist, sich die Innenoberfläche der oberen radialen Wand 49, die einem Fluiddruck aufgrund der aus den Öffnungen 37a, 37b austretenden Strömung ausgesetzt wird, durch die Gleichung berechnet:
wobei
d₁ = Durchmesser des Spielraums 52,
A₁ = Fläche der oberen Radialwand,
D = Innendurchmesser der Seitenwand 51.
Die Fläche (A₂) der unteren radialen Wand 50, die einem Fluiddruck ausgesetzt ist, wird durch die Gleichung berechnet:
wobei
d₂ = Durchmesser des Durchgangslochs 53.
Da der Fluiddruck aus den Öffnungen 37a, 37b, der im Inneren der Ablenkhülse 46 erzeugt wird und tatsächlich dort aufgefangen wird, gleichmäßig auf die Flächen A₁ und A₂ wirkt, gleicht die Flächendifferenz – berücksichtigt man dass A₁ größer als A₂ ist – die auf die Ablenkhülse 46 wirkende Hubkraft aus, wodurch ermöglicht wird, dass sich die Ablenkhülse und der Rest der Rotorbaugruppe 23 in die Orientierung gemäß 3 axial in einer Richtung nach oben bewegen, wenn der Druck oberhalb des vorbestimmten Schwellenwerts liegt. Aufgrund des Presssitzes der Ablenkhülse 46 in dem Zentralrohr 35 wirkt die Ablenkhülse und das Zentralrohr als integrale Ein heit. Die anfängliche Hubkraft (LF) auf die Ablenkhülse 46 und in Folge auf die leere Rotoranordnung 23 wird durch die Gleichung ausgedrückt:
wobei P der Druck des eintretenden Öls ist. Wenn die Hubkraft (LF) das Gewicht der Rotorbaugruppe 23 übersteigt, hebt sich die Rotorbaugruppe nach oben (3) und die leere Rotorbaugruppe 23 beginnt sich mit Öl zu füllen, wobei anzunehmen ist, dass jegliches Spiel durch die "Dichtungs"-Schnittstelle zwischen den Spielraumlöchern 52 und 53 und den Wellenabschnitten 54 und 55 jeweils die Rotorbaugruppe 23 noch nicht mit Öl gefüllt hat. Schließlich werden die Strahldüsen 29 und 30 Drosselstellen und der Fluiddruck an den Wellenöffnungen 37a, 37b ist derjenige Fluiddruck, der sich innerhalb der Rotorbaugruppe 23 einstellt.
Aus der Hubkraftgleichung wird klar, dass durch Verändern der Differenzflächen der Wände 49 und 50 die auf die Ablenkhülse wirkende Hubkraft bei einem bestimmten Schwellendruck (P) geändert werden kann. Der Punkt, an welchem die Ablenkhülse 46 und die Rotorbaugruppe 43 beginnen, sich in einer axialen Richtung nach oben anzuheben, kann auch für einen gegebenen Druck und eine gegebene Differenzfläche durch Änderung des Gewichts der Rotorbaugruppe 23 eingestellt werden. Unabhängig vom Anfangsgewicht der Rotorbaugruppe kommt es zu einer Änderung des Gewichts der Rotorbaugruppe, wenn die leere Rotorbaugruppe beginnt, sich mit Öl zu füllen. Im gefüllten Zustand bleibt die Rotorbaugruppe solange angehoben, bis die Kraft von dem auf die Differenzprojektionsfläche wirkenden Druck das Gewicht übersteigt. Diese Projektionsfläche wird durch Betrachten der Fläche der oberen Lagerstelle, auf welche der Fluiddruck wirkt, im Vergleich zu der kleineren Projektionsfläche nahe der unteren Lagerstelle, auf welche das Fluid wirkt, abgeleitet. Diese Oberflächendifferenz zwischen den korrespondierenden Projektionsflächen, auf welche das Fluid nahe dem oberen Lager im Vergleich zu der Stelle nahe dem unteren Lager wirkt, ist ähnlich zu dem Verhältnis der Projektionsflächendifferenz innerhalb der Ablenkhülse. Somit bleibt bei vollem Betriebsdruck die erforderliche Hubkraft bestehen und die Rotorbaugruppe bleibt in einem angehobenen Zustand, obwohl sie mit Öl gefüllt ist, und der Innendruck wird aufgrund der von den Strahldüsen 29 und 30 bereitgestellten Drosselwirkung aufrechterhalten.
Wenn die Rotorbaugruppe die Ölströmung durch diese fördert, kommt es zu einer Ansammlung von Schlamm, und da dieser Schlamm innerhalb der Rotorbaugruppe gesammelt wird, addiert er sich zu dem Gesamtgewicht der Rotorbaugruppe aufgrund der Tatsache, dass der Schlamm eine größere Dichte aufweist als das korrespondierende Ölvolumen. Mit der Zeit bei fortdauernder Ansammlung von Schlamm wird die Gewichtszunahme derart groß, dass der verfügbare Fluiddruck relativ zu den Differenzflächen nicht ausreichend groß ist, um die Rotorbaugruppe weiter anzuheben. Wenn das Gewicht zu groß wird, sinkt die Rotorbaugruppe 23 nach unten oder schwebt zurück in eine Position, in welcher die Ablenkhülse 46 die Schaftöffnungen 37a, 37b abdeckt. Diese besondere Abfolge wird nachfolgend detaillierter diskutiert.
Als Gestaltungsalternative zu der Form der Ablenkhülse 46 gemäß 4 und 5 ist in Betracht zu ziehen, dass die äußere Durchmesseroberfläche 51b frei von Rippen 51a sein kann und stattdessen die Rippen als Teil der Innenoberfläche des Zentralrohrs 45 vorgesehen werden können. Es muss zumindest ein Strömungskanal für Öl vorgesehen sein, um die Ablenkhülse 46 zu bewegen, wenn die Wellenöffnungen 37a, 37b freigelegt werden und den Rest (stromabwärts) der Rotoranordnung 23 erreichen. Da die Rippen dazu beitragen, die erforderlichen Strömungskanäle zwischen der Ablenkhülse und dem Zentralrohr zu definieren, können die definierenden Rippen ein Teil der Ablenkhülse sein, wie bereits im Zusammenhang mit 4 und 5 beschrieben, oder sie können ein Teil der Innenoberfläche des Zentralrohrs sein, wie für das Ausführungsbeispiel alternativer Gestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung in Erwägung gezogen. Bei jedem Ausführungsbeispiel ist ein Presssitz der Ablenkhülse in dem Zentralrohr vorgesehen.
Mit Bezug auf 6 und 7 ist eine alternative Gestaltung für eine geeignete Ablenkhülse und ihre Rippen gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Während die Ablenkhülse 60 identisch zu der Ablenkhülse 46 ist, liegt der grundsätzliche Unterschied in der Form (Querschnitt) der Rippen 61 im Vergleich zu den Rippen 51a. Die Rippen 61 werden dadurch hergestellt, dass zunächst die Außendurchmessergröße für den erforderlichen Presssitz gegenüber dem Innendurchmesser des Zentralrohrs 35 ausgewählt wird. Der nächste Herstellungsschritt liegt darin, einen 0.0127m (0,5 Zoll)-Durchmesser-Fräser zur Erzeugung der Strömungskanäle 62 zu verwenden. Dies führt zu einer gezahnten Form für die in Reihe voneinander beabstandeter Rippen 61 im Vergleich zu den Rippen 51, die verhältnismäßig schmal sind, so dass die Strömungskanäle breiter sind.
Mit Bezug auf 8, ist die für die vorliegende Erfindung gestaltete Welle 24 dargestellt. Es sind die Wellenabschnitte 54 und 55 und die schräg verlaufende Schnittstelle 56 gezeigt. Zusätzliche Abschnitte der Welle 24 umfassen den Außengewindeabschnitt 65, den Außengewindeabschnitt 66 und den Abstandsabschnitt 67. Der Abschnitt 65 ist über ein Gewinde von der Basis 21 aufgenommen (siehe 1) und der Abschnitt 66 ist über ein Gewinde in dem oberen Anschlussteil 68 aufgenommen. Der Abschnitt 67 sieht eine Schulter für das untere Lager 32 vor, wie in 1 dargestellt. Beispielhafte Dimensionen für die Welle 24 samt der Außengewindeabschnitte 65 und 66 sind beispielsweise eine Gesamtlänge von 0,252 m (9,93 Zoll), wobei der Abstand 54 eine Länge von 0,141 m (5,551 Zoll), der Abschnitt 55 eine Länge von 0,0474 m (1,866 Zoll), der Abschnitt 67 eine Länge von 0,129 m (0,508 Zoll), der Gewindeabschnitt 65 eine Länge von 0,019 m (0,750 Zoll) und der Gewindeabschnitt 66 eine Länge von 0,0187 m (0,736 Zoll) aufweisen.
Es wurde vorstehend im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bereits erwähnt, dass es aus Kostengründen ein Vorteil für die Bedienungsperson ist, erkennen zu können, wann die Rotorbaugruppe 23 an ihrer Kapazität zur Schlammansammlung angelangt ist, d.h. sich in einem " gefüllten" Rotor-Zustand befindet. Diese Kenntnis macht es möglich, dass die Bedienungsperson die Rotorbaugruppe warten kann, entweder durch Reinigung der Rotorbaugruppe oder durch Ersetzen, sofern die Rotorbaugruppe als Austauschteil/Ersatzteileinheit ausgebildet ist. Dadurch, dass man in der Lage ist, die Rotorbaugruppe zum richtigen Zeitpunkt in dem Sinne, dass ein verfrühter Service oder ein verfrühtes Ersetzen vermieden wird, entweder reinigen oder ersetzen kann, wird eine längere Nutzung der Rotorbaugruppe und eine größere Kosteneffektivität sowie ein wirtschaftlicherer Betrieb ermöglicht. Da sich im Innenraum der Rotorbaugruppe Schlamm ansammelt, beginnen die Ablagerungen in äußeren Sammelzonen, die in 1 im Wesentlichen an dem Ort 70 liegen. Wenn die Rotoranordnung einen "gefüllten" Rotor-Zustand erreicht, erreicht der gesammelte Schlamm ein Niveau, bei welchem sein zusätzliches Gewicht in der gefüllten Rotorbaugruppe die gewählte Hubkraft übersteigt, die aus dem auf die Differenzprojektionsflächen wirkenden Fluiddruck abgeleitet wird. Wenn der erforderliche Fluiddruck zum "Anheben" des zusätzlichen Gewichts nicht vorgesehen ist, dann hebt sich die Rotorbaugruppe selbst bei vollem Betriebsdruck nicht an und die Rotorbaugruppe sinkt und die Ablenkhülse wird in ihre blockierende Position über den Fluidauslassöffnungen 37a, 37b in der Welle abgesenkt.
Da der verfügbare Druck, wie er auf die Differenzfläche der Ablenkhülse wirkt, nicht groß genug ist, um das zusätzliche Gewicht anzuheben, stoppt die Fluidströmung in die Rotorbaugruppe und die Rotorbaugruppe kann sich nicht drehen. Dies zeigt sich als "Nulldrehzahl"-Fehler oder zumindest als Zeichen sehr niedriger Drehzahl. Dies kann von einer Anzeigevorrichtung 42 bestimmt werden, die der Bedienungsperson signalisiert, dass eine Wartung oder ein Ersetzen der Rotorbaugruppe erforderlich ist. Das erforderliche Gewicht für die gefüllte Rotorbaugruppe zum Erreichen dieses Effekts kann auf Grundlage von Fluiddruckniveaus eingestellt werden, welche durch Einstellen des Anfangsgewichts der Rotorbaugruppe und der Differenzprojektionsflächen der oberen Lagerfläche und der unteren Lagerfläche zu erwarten sind.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung betrifft den Abstand jeweils zwischen den Spielraumlöchern 52 und 53 und den Wellenabschnitten 54 und 55. Der radiale Zwischenraum soll so groß wie möglich sein, um enge Herstellungstoleranzen zu vermeiden. Der zulässige Spielraum hängt im Wesentlichen von der Strahldüsenfläche und der eingestellten Strömungsrate ab, da die Leckage durch die Ränder der Spielraumlöcher 52 und 53 durch die Strömungsdüsen 29 und 30 fließt. Wenn diese Strömungsdüsen einen spürbaren "Rückdruck" bei der Leckageströmungsrate zeigen, wird sich die Rotorbaugruppe 23 nicht in eine obere axiale Richtung anheben noch wird sich die Rotorbaugruppe hinreichend drehen.
Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und in der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, sind Letztere lediglich als darstellend und als nicht beschränkend anzusehen und es ist selbstverständlich, dass lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel gezeigt und beschrieben wurde, und dass alle Änderungen und Modifikationen, die im Rahmen der Erfindung liegen, geschützt sein sollen.

Claims

Zentrifuge zum Trennen partikulären Materials aus einem Fluid, wobei die Zentrifuge umfasst ein Gehäuse mit einem Basisteil, das einen Fluideinlass bildet, eine Rotorbaugruppe, die in das Gehäuse eingebaut ist und ein Zentralrohr aufweist, eine Welle, die sich durch einen Teil des Zentralrohrs erstreckt und eine Fluidauslassöffnung bildet, und in fluidischer Verbindung mit der Fluidauslassöffnung einen Fluidkanal, der in fluidischer Verbindung mit dem Fluideinlass steht, wobei eine Ablenkhülse in das Zentralrohr eingebaut und derart positioniert ist, dass sie die Fluidauslassöffnung abdeckt, wenn sie sich in einer ersten Position befindet, und mit der Rotorbaugruppe in eine zweite Position bewegbar ist, in welcher die Fluidauslassöffnung durch die Abdeckhülse unbedeckt ist.
Zentrifuge nach Anspruch 1, wobei die Abdeckhülse als rohrförmiges Element mit einer ersten radialen Wand, einer zweiten radialen Wand und einer zwischen diesen vorgesehenen im Wesentlichen zylindrischen Seitenwand angeordnet und aufgebaut ist.
Zentrifuge nach Anspruch 2, wobei die erste radiale Wand ein erstes Durchgangsloch eines ersten Durchmessers definiert.
Zentrifuge nach Anspruch 3, wobei die zweite radiale Wand ein zweites Durchgangsloch mit einem zweiten Durchmesser definiert.
Zentrifuge nach Anspruch 4, wobei der erste Durchmesser kleiner als der zweite Durchmesser ist.
Zentrifuge nach Anspruch 1, wobei die Ablenkhülse im Presssitz in das Zentralrohr eingesetzt ist.
Zentrifuge nach Anspruch 6, wobei die Ablenkhülse eine Mehrzahl außenliegender Rippen aufweist, die zumindest einen Strömungskanal definieren.
Zentrifuge nach Anspruch 6, wobei das Zentralrohr eine Innenoberfläche mit einer Mehrzahl von daran ausgebildeten Rippen aufweist, die wenigstens einen Strömungskanal bilden.
Zentrifuge nach Anspruch 1, wobei die Ablenkhülse eine Mehrzahl außenliegender Rippen aufweist, die wenigstens einen Strömungskanal bilden.
Zentrifuge nach Anspruch 1, wobei das Zentralrohr eine Innenoberfläche mit einer Mehrzahl von daran ausgebildeten Rippen aufweist, die wenigstens einen Strömungskanal definieren.
Kombination einer Zentrifugenwelle, die einen Fluidkanal definiert und in fluidischer Verbindung mit diesem eine Fluidauslassöffnung definiert; und eine bewegbare Strömungssteuerhülse, die auf der Zentrifugenwelle derart angebracht und positioniert ist, dass die Fluidauslassöffnung in einer ersten Position abgedeckt wird, und die in eine zweite Position bewegbar ist, in welcher die Fluidauslassöffnung von der Strömungssteuerhülse unbedeckt ist.
Kombination nach Anspruch 11, wobei die Hülse als rohrförmiges Element mit einer ersten radialen Wand, einer zweiten radialen Wand und einer zwischen diesen vorgesehenen im Wesentlichen zylindrischen Seitenwand angeordnet und aufgebaut ist.
Kombination nach Anspruch 12, wobei die erste radiale Wand ein erstes Spielraumloch mit einem ersten Durchmesser definiert.
Kombination nach Anspruch 13, wobei die zweite radiale Wand ein zweites Spielraumloch mit einem zweiten Durchmesser definiert.
Kombination nach Anspruch 14, wobei der erste Durchmesser kleiner als der zweite Durchmesser ist.
Kombination nach Anspruch 11, wobei die Welle einen ersten Abschnitt mit einem ersten Durchmesser und einen zweiten Abschnitt mit einem zweiten Durchmesser aufweist, der größer als der erste Durchmesser ist, und wobei die Strömungssteuerhülse ein erstes Durchgangsloch definiert, das um den ersten Abschnitt positioniert ist, und ein zweites Durchgangsloch definiert, das um den zweiten Abschnitt ausgebildet ist.
Kombination nach Anspruch 16, wobei die Hülse als rohrförmiges Element mit einer ersten radialen Wand, einer zweiten radialen Wand und einer zwischen diesen vorgesehenen im Wesentlichen zylindrischen Seitenwand angeordnet und aufgebaut ist.
Kombination nach Anspruch 11, wobei die Hülse mit einer ersten radialen Wand, einer zweiten radialen Wand und einer zwischen diesen vorgesehenen Seitenwand aufgebaut und angeordnet ist, wobei die erste und die zweite radiale Wand zusammen mit der Seitenwand einen Innenraum ausbilden, wobei die Fluidauslassöffnung in fluidischer Verbindung mit dem Innenraum steht.
Kombination nach Anspruch 11, wobei die Fluidsteuerhülse eine Mehrzahl von äußeren Rippen aufweist, die wenigstens einen Strömungskanal definieren.
Zentrifuge nach Anspruch 11, wobei das Zentralrohr eine Innenoberfläche mit einer Mehrzahl von daran ausgebildeten Rippen aufweist, die wenigstens einen Strömungskanal definieren.