DE69906019T2

DE69906019T2 - Zentrifuge mit konischen Trennwänden

Info

Publication number: DE69906019T2
Application number: DE69906019T
Authority: DE
Inventors: Peter K. Herman
Original assignee: Fleetguard Inc
Current assignee: Cummins Filtration Inc
Priority date: 1998-12-11
Filing date: 1999-12-10
Publication date: 2003-08-21
Anticipated expiration: 2019-12-11
Also published as: US6019717A; EP1008391A2; AU6315899A; JP3585795B2; EP1008391B1; DE69906019D1; JP2000176315A; EP1008391A3; AU760173B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen die kontinuierliche Abscheidung von festen Teilchen wie Ruß aus einem. Fluid wie Öl durch die Verwendung eines Zentrifugalfelds. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines Kegel-(Scheiben)-Stapelzentrifugenaufbaus innerhalb einer Zentrifugenbaugruppe, die ein Turbinenrad zum umlaufenden Antreiben eines Rotors umfaßt. Das Turbinenrad wird durch Strahldüsen angetrieben, die tangential zu der kreisförmigen Mittellinie des Laufrads ausgerichtet sind.
Das Dokument EP-A-0 980 714, das am 18. August 1999 eingereicht wurde und die Priorität der US-Patentanmeldung Serial No. 09/136,736, eingereicht am 19. August 1998, in Anspruch nimmt, deren Erfinder Peter K. Herman ist und die den Titel "High Performance Soot Removing Centrifuge" (Hochleistungs- Rußentfernungszentrifuge) trägt, betrifft einen ähnlichen Gegenstand.
Dieselmotoren werden mit relativ hochentwickelten Luft- und Kraftstoffiltern (Reinigern) konstruiert, um Schmutz und Verschleißteilchen vom Motor fernzuhalten. Selbst mit diesen Luft- und Kraftstoffreinigern finden Schmutz und Verschleißteilchen, einschließlich vom Motor erzeugte Verschleißteilchen, einen Weg in das Schmieröl des Motors. Die Folge ist ein Verschleiß der kritischen Motorbauteile und, falls dieser Zustand ungelöst bleibt oder nicht behoben wird, ein Ausfall des Motors. Aus diesem Grund werden viele Motoren mit Hauptstromölfiltern konstruiert, die das Öl kontinuierlich reinigen, während es zwischen dem Schmiermittelsumpf und den Motorteilen zirkuliert.
Es gibt eine Anzahl von Konstruktionsbeschränkungen und - erwägungen für solche Hauptstromfilter, und typischerweise bedeuten solche Beschränkungen, daß solche Filter nur diejenigen Schmutzteilchen entfernen können, die im Bereich von 10 Mikron liegen oder größer sind. Während das Entfernen von Teilchen dieser Größe einen katastrophalen Ausfall verhindern kann, wird immer noch ein schädlicher Verschleiß durch kleinere Schmutzteilchen verursacht, die in das Öl gelangen und dort verbleiben. Um diese Besorgnis bezüglich kleiner Teilchen anzusprechen, sind Konstrukteure zu Bypass-Filtersystemen, die einen vorbestimmten Prozentsatz des gesamten Ölflusses filtern, übergegangen. Die Kombination eines Hauptstromfilters mit einem Bypassfilter verringert den Motorverschleiß auf einen akzeptablen Wert, jedoch nicht auf den gewünschten Wert. Da Bypassfilter imstande sein können, Teilchen mit einer Größe kleiner als etwa 10 Mikron einzufangen, bietet die Kombination eines Hauptstromfilters und eines Bypassfilters eine wesentliche Verbesserung im Vergleich zur Verwendung nur eines Hauptstromfilters.
Während wie durch frühere Konstruktionen anderer dargestellt Zentrifugenreiniger in einer Vielzahl von Möglichkeiten gestaltet werden können, ist ein Produkt, das für einen Teil der frühen Konstruktionsentwicklung repräsentativ ist, die Spinner II® Ölreinigungszentrifuge, die von Glacier Metal Company Ltd., Somerset, Ilminister, Vereinigtes Königreich, hergestellt und von der T. F. Hudgins, Incorporated, Houston, Texas vertrieben wird. Verschiedene Fortschritte und Verbesserungen des Spinner II® Produkts sind in dem US-Patent Nr. 5,575,912, erteilt an Herman am 19. November 1996, und dem US Patent Nr. 5,637, 217, erteilt an Herman am 10. Juni 1997, dargestellt.
Die GB-A-2 297 505 offenbart einen fluidangetriebenen Zentrifugalreiniger mit einem Rotor, der innerhalb eines Gehäuses angebracht ist, zur umlaufenden Bewegung gegenüber dem Gehäuse. Der Rotor ist so angeordnet, daß er zu reinigendes Fluid aufnimmt und derart umläuft, daß die Schadstoffe im Fluid abgetrennt und auf einer Oberfläche des Rotors durch Zentrifugalwirkung abgeschieden werden, wodurch das Fluid gereinigt, wird. Der Rotor kann einen Satz Turbinenschaufeln umfassen, die so angeordnet sind, daß sie ein Antriebsfluid von einer, feststehenden Düseneinrichtung derart aufnehmen, daß der Rotor dadurch in Umlauf versetzt wird.
Es gibt gegenwärtig ein Phänomen des Motorbetriebs, das nichtakzeptable Werte von Schmierölruß erzeugt. Der größte Teil dieses Schmierölrußes muß aus dem umlaufenden Öl aufgrund der Abriebseigenschaften des Rußes und des entsprechenden Risikos eines nichtakzeptablen Verschleißes kritischer Motoroberflächen und an kritischen Motorkontaktflächen entfernt werden. Immer strenger werdende NOx-Emissionsverordnungen sind der Grund für die weitverbreitete Verwendung einer verzögerten Einspritzung und in einigen Fällen einer Abgasrückführung oder Wassereinspritzung, um das Verbrennungsereignis weiter zu verzögern. Dies verringert wiederum Spitzentemperaturen und bewirkt die NOx-Bildung. Eine verzögerte Verbrennung gestattet jedoch die Abscheidung von Ruß auf freiliegenden Zylinderwänden und die anschließende Weitergabe an das Schmieröl durch das. Reiben der Ringe. Motordaten, die ermittelt wurden, um Schmierölruß zu untersuchen, zeigten Werte, die bis zu sieben Prozent (7%) in 250 Betriebsstunden betrugen. Während dieser Schmierölruß eine relativ sehr kleine Größe in der Größenordnung von 0,02 bis 0,06 Mikron besitzt, wirkt er dennoch als Abriebmittel und ist imstande, Verschleiß an kritischen Hochdruck- /Hochlastkontaktflächen, wie denjenigen, die in Ventilantriebsbauteilen zu finden sind, zu verursachen. Zur weiteren Informationen über den inhärenten Abrieb und Verschleiß siehe SÄE Paper Nr. 971631.
Mit Bezug auf die vorliegende Erfindung ist die Erkenntnis von Bedeutung, daß sich das Entfernen von extrem kleinen Rußteilchen mittels herkömmlicher Filterung oder mittels herkömmlicher Zentrifugalabscheider, einschließlich solcher mit einer Kegelstapelkonstruktion im allgemeinen als erfolglos erwiesen hat. Einer der einschränkenden Faktoren ist die Drehzahl, mit der Zentrifugalabscheider typischerweise angetrieben wird. Die typische oder normale Drehzahl für Zentrifugalabscheider mit Hero-Turbine liegt im Bereich von etwa 5.000 UpM für einen Rotor mit einem Außendurchmesser des Kegelstapels von 120,65 mm. (4,75 Zoll) und im Bereich von etwa 7.000 UpM für einen Rotor mit einem Außendurchmesser des Kegelstapels von 88,90 mm (3,50 Zoll). Diese Drehzahlen sind nicht schnell genug, um Ruß in einem angemessenen Ausmaß zu entfernen, um das Ansammeln von Ruß im Öl zu steuern. Drehzahlen in der Größenordnung von etwa dem Zweifachen der angegebenen werden benötigt, um das Problem des Ansammelns von Ruß wirksam anzugehen.
Das Öl im Sumpf beginnt als sauberes Öl, und im Verlauf des Betriebs des Motors sammelt sich allmählich Ruß an. Das Ziel ist es, den prozentualen Gehalt von Ruß im Sumpf Öl zu steuern. Während sich mit der Zeit ein Gleichgewichtszustand aufbaut, bei dem die Entfernungsrate die gleiche wie die Hinzufügungsrate ist, ist der Schlüssel der prozentuale Gehalt von Ruß. Die dies regelnde Gleichung ist wie folgt:
Konzentration des Rußgleichgewichts =
Der Entfernungswirkungsgrad und die Fließgeschwindigkeit sind derart gekoppelt, daß ein einfaches Verdoppeln der Fließgeschwindigkeit den Wirkungsgrad um die Hälfte verringert. Der Schlüssel ist der Entfernungswirkungsgrad. Falls dieser erhöht werden kann, nimmt die Rußkonzentration im Sumpf ab, ohne daß irgendwelche anderen Faktoren oder Bauteile geändert werden.
In Anbetracht der erörterten Probleme und Fragen mit Bezug auf die gegenwärtigen Zentrifugalabscheiderkonstruktionen wäre es eine Verbesserung, eine Konfiguration zu ersinnen, die geeignet ist, eine schnellere Antriebsgeschwindigkeit (Drehzahl) zu erzeugen. Tests haben gezeigt, daß es, wenn ein Zentrifugalabscheider mit einer Drehzahl angetrieben wird, die näher bei 10.0000 UpM liegt, möglich ist, eine drastische Rußverringerung von einem. Wert von etwa 4,1% auf einen Wert von etwa 0,8% im Schmiermittelfluid während 280 Stunden einer Sumpf Zirkulation (Tests mit abgeschaltetem. Motor) zu zeigen. Die vorliegende Erfindung schafft eine verbesserte Struktur für einen Kegelstapel-Zentrifugalabscheider, der fähig ist, die gewünschte Drehzahl von 10.000 UpM zu erzeugen, ohne es erforderlich zu machen, den Druck des Schmiermittelsystems oberhalb des normalen und erwünschten Betriebsdrucks von 480 kN/m² (70 psi) zu erhöhen. Der Betriebsdruck liegt im Bereich von etwa 280 kN/m² (40 psi) bis zu einer Obergrenze von etwa 620 kN/m² (90 psi).
Ein Problem mit diesem Druckbereich ist, daß die Lager, die den Rotor abstützen, so konstruiert werden müssen, daß sie dem Druck innerhalb des Rotors widerstehen und diesen aufnehmen. Während Radiallager für diese erhöhten Druckwerte bevorzugt sind, haben diese Lager einen Drehwiderstandskoeffizienten, der durch das viskose Scheren des dünnen Ölfilms zwischen Lager und Welle verursacht wird, was verhindert, daß die Kegelstapel-Zentrifuge mit der gewünschten Drehzahl von 10.000 UpM (oder höher) angetrieben wird. Durch Verringerung des Betriebsdrucks innerhalb des Zentrifugenrotors ist es möglich, Rollenlager zu verwenden, die einen wesentlich geringeren Widerstandskoeffizienten aufweisen, was eine höhere Drehzahl gestattet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Erfindungsgemäß wird eine Kegelstapel-Zentrifuge zum Abtren nen von teilchenförmigem Material aus einem umlaufenden Fluid geschaffen, wobei die Zentrifuge umfaßt:
einen Rotor, der einen Kegelstapel und eine hohle Rotornabe umfaßt, die so ausgebildet und angeordnet ist, daß sie sich um eine Achse dreht;
eine Basisanordnung, die einen Fluideinlaß, einen ersten Durchgang, einen zweiten Durchgang und eine hohle Basisnabe bildet, wobei der Fluideinlaß mit der hohlen Basisnabe durch den ersten Durchgang verbunden ist;
ein Wellenzentralrohr, das an der Basisnabe befestigt ist und sich durch die Rotornabe hindurch erstreckt, wobei das Wellenzentralrohr einen Durchgang aufweist, um Fluid vom ersten Durchgang zum Kegelstapel zu liefern;
ein Lager, das zwischen der Rotornabe und dem Wellenzentralrohr für eine Drehbewegung des Rotors um das Wellenzentralrohr herum angeordnet ist;
eine Aktionsturbine, die am Rotor befestigt ist; und
eine Strömungsstrahldüse, die strömungstechnisch mit dem zweiten Durchgang verbunden ist und so ausgebildet und angeordnet ist, daß sie einen Strömungsstrahl des Fluids auf die Aktionsturbine richtet, die ihrerseits dem Rotor eine Drehbewegung verleiht,
gekennzeichnet durch ein Strömungslenk-Einsatzstück, das in die Strömungsstrahldüse eingebaut ist, um die Einlaßturbulenz zu verringern.
Eine zugehörige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt die Verwendung eines wabenförmigen Einsatzstücks, das in den Einlaß einer Strömungsstrahldüse eingebaut ist, um die Einlaßturbulenz zu verringern und den Wirkungsgrad der Turbine zu verbessern.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Kegelstapel-Zentrifuge.
Zugehörige Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Um die Figuren zu vereinfachen sind strömungslenkende Einsatzstücke in Fig. 1, 1A, 2, 6, 6A, 8, 9 und 11 nicht dargestellt.
Es zeigt:
Fig. 1. in vollständigem Schnitt eine Vorderansicht einer Kegelstapel-Zentrifuge gemäß einer typischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 1A in vollständigem Schnitt eine Teil-Vorderansicht einer Kegelstapel-Zentrifuge gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine Aktionsturbine und damit zusammenwirkende Strahldüsen, die einen Teil der Kegelstapel-Zentrifuge von Fig. 1 darstellen;
Fig. 2A in vollständigem Schnitt eine Vorderansicht eines modifizierten Halbbechers zur Verwendung als Teil der Aktionsturbine von Fig. 2, die bei der Kegelstapel-Zentrifuge von Fig. 1 verwendet wird;
Fig. 2B eine perspektivische Ansicht des modifizierten Halbbechers von Fig. 2A;
Fig. 3 in vollständigem Schnitt eine Vorderansicht einer Zentralwelle, die einen Teil der Kegelstapel-Zentrifuge von Fig. 1 darstellt;
Fig. 4 in vollständigem Schnitt eine Vorderansicht einer Rotornabe, die einen Teil der Kegelstapel-Zentrifuge von Fig. 1 darstellt;
Fig. 5 eine Draufsicht auf die Rotornabe von Fig. 4;
Fig. 6 in vollständigem Schnitt eine Vorderansicht einer Kegelstapel-Zentrifuge gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6A in vollständigem Schnitt eine Teil-Vorderansicht einer Kegelstapel-Zentrifuge gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 in vollständigem Schnitt eine Vorderansicht einer Zentralwelle, die einen Teil der Kegelstapel-Zentrifuge von Fig. 6 darstellt;
Figur. 8 in vollständigem Schnitt eine Vorderansicht einer Basis, die einen Teil der Kegelstapel-Zentrifuge von Fig. 6 darstellt;
Fig. 9 in vollständigem Schnitt eine Teil-Vorderansicht einer Aktionsturbine mit Leitschaufelring die zur Verwendung als Teil der Kegelstapel-Zentrifuge geeignet ist, bei der die vorliegende Erfindung realisiert ist;
Fig. 10 eine Teil-Draufsicht auf die Leitschaufelring- Turbine von Fig. 9;
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Leitschaufel der Leitschaufelring-Turbine von Fig. 9 und des damit zusammenwirkenden Düsenstrahls;
Fig. 12 eine Stirnansicht eines Strahldüsen-Einsatzstücks zur Verwendung als Teil der Kegelstapel-Zentrifuge, bei der die vorliegende Erfindung realisiert ist;
Fig. 13 eine Stirnansicht eines alternativen Strahldüsen- Einsatzstücks zur Verwendung als Teil der Kegelstapel-Zentrifuge, bei der die vorliegende Erfindung realisiert ist; und
Fig. 14 in vollständigem Schnitt eine Vorderansicht eines repräsentativen Anbringungspfostens und einer Strahldüse, bei der das Strahldüsen-Einsatzstück von Fig. 12 enthalten ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Für den Zweck der Verbesserung des Verständnisses der Prinzipien der Erfindung wird nachfolgend auf die in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform Bezug genommen, und zur Beschreibung derselben wird eine besondere. Ausdrucksweise verwendet. Es ist jedoch zu beachten, daß hierdurch keine Beschränkung des Schutzumfanges der Erfindung beabsichtigt ist, wobei Änderungen und weitere Modifikationen der dargestellten Vorrichtung als solche zu betrachten sind, die unter den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist eine Kegelstapel-Zentrifuge 20 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Zentrifuge 20 umfaßt als einige ihrer Hauptbauteile eine Basis 21, ein Glockengehäuse 22, eine Welle 23, eine Rotornabe 24, einen Rotor 25, einen Kegelstapel 26, Strahldüsen 27 und 28 und eine modifizierte Pelton- Turbine 29. Wie hier beschrieben und verwendet umfaßt der Rotor 25 eine Kegelstapelbaugruppe.
Fig. 2 ist eine schematische Draufsicht auf die Strahldüsen 27 und 28 sowie eine Aktionsturbine 29 mit der Darstellung der Richtung der Strömungsstrahlen 27a und 28a, die jeweils aus den Strahldüsen 27 bzw. 28 austreten. Die Turbine 29 umfaßt eine am Umfang angeordnete Reihe von achtzehn Bechern 32, die an einem drehbaren Rad 33 angeordnet sind. Die Strömungsstrahlen 27a und 28a sind tangential zu dem Rad an einander entgegengesetzten Seiten des Rads ausgerichtet und auf das Zentrum der Becher gerichtet, die sich in den tangentialen Bereich an der entsprechenden Seite des Rads 33 drehend hineinbewegen. Das drehbare Rad 33 ist fest und starr mit der Rotornabe 24 verbunden, die konzentrisch um die Welle 23 herum angeordnet ist. Die Rotornabe ist mittels eines oberen Rollenlagers 34 und eines unteren Rollenlagers 35 an der Welle 23 gelagert angebracht und durch diese abgestützt. Um den Lagerleckagefluß zu verringern werden abgedichtete Lager im Gegensatz zu abgeschirmten Lagern verwendet.
Während die Turbine 29 auf vielfache Art gestaltet sein kann, ist die bevorzugte Gestaltung für die vorliegende Erfindung eine modifizierte Pelton-Turbine mit Halbbechern. Die modifizierte Halbbecherturbine 29 ist in Fig. 1 gezeigt, während eine herkömmliche Pelton-Turbine 29a (mit geschlitzten Bechern) in Fig. 1A gezeigt ist. Die Unterschiede zwischen diesen beiden Turbinenoptionen sind wirksam auf die Geometrie der Becher 32 bzw. 32a beschränkt. Mit der Ausnahme des Ersetzens der modifizierten Halbbecher-Turbine 29 von Fig. 1 durch die Schlitzbecher-Turbine 29a in Fig. 1A ist die Konstruktion der Zentrifugen von Fig. 1 und Fig. 1A identisch. Während angenommen wird, daß die Konstruktion eines Schlitzbechers 32a wohlbekannt ist, ist die Gestaltung des modifizierten Halbbechers 32 für diese Anwendung einzigartig. Die Bezugnahme auf Fig. 2A und 2B liefert zusätzliche Einzelheiten bezüglich der Geometrie und Konstruktion jedes Halbbechers 32.
Die Kegelstapelbaugruppe oder der Rotor 25 wird hier so definiert, daß sie bzw. er als Hauptbauteile eine Basisplatte 38, einen Gefäßmantel 39 und den Kegelstapel 26 umfaßt. Die Baugruppe dieser Hauptbauteile ist an der Rotornabe 24 derart befestigt, daß, wenn sich die Rotornabe 24 um die Welle 23 mittels der Rollenlager 34 und 35 dreht, der Rotor umläuft. Die der Rotornabe 24 verliehene Drehbewegung hat ihren Ursprung in der Aktion der Turbine 29, die von der Hochdruckströmung aus den Strahldüsen 27 und 28 angetrieben wird. Da die Strömungsstrahlen 27a und 28a auf die Becher 32 auf treffen, wird jeder entsprechende Becher geschoben, wodurch sich das Rad 33 dreht, um den nachfolgenden Becher für das tangentiale Auftreffen der Strömungsstrahlen in Position zu bringen. Dieser Vorgang tritt an jeder Seite des Rads in einer zusammenarbeitenden Weise auf, da die Tangentenpunkte für die Strömungsstrahlen 27a und 28a um 180º beabstandet sind. Das Rad dreht sich schneller und schneller, bis eine konstante Umlaufgeschwindigkeit auf der Grundläge der. Charakteristiken der Strömungsstrahlen 27a und 28a und der Charakteristiken und der Dynamik der Turbine erreicht ist. Da die Turbine an der Rotornabe 24 befestigt ist, die an der Welle 23 gelagert angebracht ist, dreht sich der Rotor 25 mit einer Drehzahl, die der Umlaufgeschwindigkeit des Rads 23 der Turbine 29 entspricht.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Turbine 29 besitzt jeder Becher 32 (der modifizierte Halbbecher) das Profil eines Ellipsoids und einen Austrittswinkel von 10 bis 15º am Rand des Ellipsoids. In Fig. 2A ist eine Vorderansicht eines Bechers 32 dargestellt. In Fig. 2B ist eine perspektivische Ansicht eines Bechers 32 dargestellt. Die aus dem Becher austretende Strömung ist nach unten und von dem sich drehenden Rotor weg gerichtet, wodurch der Widerstand des Auftreffens von Tröpfchen reduziert ist.
Mit Ausnahme derjenigen Bereiche innerhalb der Basis 21 und unterhalb der Basisplatte 38 ist die Gestaltung der Zentrifuge 20 in bestimmter Hinsicht ähnlich der Gestaltung, die in den US-Patenten Nr. 5,575,912 und 5,637, 217 offenbart ist.
Insbesondere ist die äußere radiale Lippe 40 des Glockengehäuses 22 an der oberen Fläche eines Flanschs 41 angeordnet. Die Kontaktfläche zwischen der radialen Lippe 40 und dem Flansch 41 ist teilweise durch die Hinzufügung eines dazwischen liegenden, ringförmigen O-Rings 42 aus Gummi abgedichtet. Eine Bandklammer 45 wird zur Ergänzung der abgedichteten Kontaktfläche verwendet. Die Klammer 45 ist um die Lippe 40 und den Flansch 41 herum angeordnet und weist eine innere, ringförmige Klammer 46 und ein äußeres ringförmiges Band 47 auf. Wenn das Band 47 eng angezogen ist, ist der Innendurchmesser der Klammer verkleinert, und die eingezogenen Seiten eines ringförmigen Kanals 48 ziehen die Lippe 40 und den Flansch 41 axial zu einer eng abgedichteten Kontaktfläche zusammen. Das Zusammenziehen der Lippe 40 und des Flanschs 41 drückt den O-Ring 42 zusammen.
An der Oberseite des Glockengehäuses 22 ist eine Kappenbaugruppe 51 zur Aufnahme und Abstützung des mit Außengewinde ausgestatteten Endes 52 der Welle 23 vorgesehen. Die Einzelheiten der Welle 23 sind in Fig. 3 dargestellt. Ein Adapter 53 besitzt ein Innengewinde und weist einen Flansch 54 auf, der durch den Rand einer Öffnung 55 und nach oben gegen diesen angebracht ist. Eine Buchse 56, ein O-Ring 57 und eine Kappe 58 vervollständigen die Baugruppe. Nachdem zunächst das Ende 52 in den Adapter 53 eingeschraubt ist und der O-Ring angebracht ist, werden dann das Gehäuse und die Buchse nach unten in ihre Position bewegt. Die Kappe wird zur Befestigung der Kappenbaugruppe 51 an der Welle 23 und am Gehäuse 22 befestigt, wobei die Bandklammer zusammengebaut und in ihrer Position angezogen wird. Die Kappenbaugruppe 51 sorgt für eine axiale Zentrierung des oberen Endes 52 der Welle 23 und zur Abstützung und Stabilisierung der Welle 23, um eine glatte Umlaufbewegung des Rotors 25 mit hoher Drehzahl zu ermöglichen.
Am oberen Ende des Rotors 25 sind zwischen dem Glockengehäuse 22 und dem mit Außengewinde ausgestatteten Ende 52 eine Befestigungsmutter 61 und eine Abstützungsunterlage 62 angeordnet. Die ringförmige Abstützungsunterlage besitzt eine konturierte Gestaltung, die der Gestalt des oberen Bereichs des Rotormantels 39 entspricht. Eine für die vorliegende Erfindung an Stelle eines separaten Bauteils für die Unterlage 62 ins Auge gefaßte Alternative besteht darin, die Abstützungsunterlagenfunktion in den Rotormantel zu integrieren, indem ein schlagextrudierter Mantel mit einem dicken Abschnitt an der Stelle der Unterlage hergestellt wird. Das obere Ende 63 der Rotornabe 24 ist mittels der Welle 23 und des oberen Lagers 34 gelagert abgestützt und mit einem Außengewinde ausgestattet. Eine Befestigungsmutter 61 ist auf das obere Ende 63 fest aufgeschraubt und zieht die Abstützungsunterlage 62 und den Rotormantel 39 zusammen. Das entgegengesetzte. (untere) Ende 64 der Rotornabe 24 ist mit einer Reihe von axialen Kerben 64a und einer abwechselnden Reihe von sich nach außen erstreckenden Keilen 64a gestaltet (siehe Fig. 4 und 5). Das mit Keilen ausgestattete Ende sitzt eng innerhalb einer zylindrischen Öffnung 65, die in der Basisplatte 38 zentriert ausgebildet ist. Die Öffnung 65 ist zur Nabe 24 und zur Welle 23 konzentrisch, und die Verankerung der Nabe am Gehäuse und an der Basisplatte stellt eine konzentrische Umlaufbewegung der Kegelstapelbaugruppe um die Welle 23 herum sicher. Der Sitz zwischen dem mit Keilen ausgestatteten Ende 64 und der Öffnung 65 bildet auch eine Reihe von beabstandeten Ausströmungskanälen 66 mittels der Kerben 64a und der Keile 64b.
Eine radiale Dichtung ist zwischen der inneren Fläche 67 des unteren Randes 68 des Rotormantels 39 und der äußeren ringförmigen Fläche 69 der Basisplatte 38 ausgebildet. Diese abgedichtete Kontaktfläche ist teilweise durch die Enge des Sitzes und teilweise durch die Verwendung eines ringförmigen O-Rings 70 aus Gummi festgelegt. Der O-Ring 70 ist zwischen der inneren Fläche 67 und der äußeren ringförmigen Fläche 69 zusammengedrückt.
Die Baugruppe aus Rotormantel 39 und Basisplatte 38 in Kombination mit dem O-Ring 70 schafft eine abgedichtete Umschließung, die ein inneres Volumen 73 begrenzt, in dem der Kegelstapel 26 enthalten ist. Jeder Kegel 74 des Kegelstapels 26 besitzt eine zentrale Öffnung 75 und eine Vielzahl von Einlaßlöchern, die um den Umfang des Kegels herum in der Nähe des äußeren ringförmigen Randes 77 angeordnet sind. Typische Kegel für diese Anwendung sind in den US- Patenten Nr. 5,575,912 und 5,637,217 dargestellt und offenbart. Der typische Strömungsweg für den Rotor 25 beginnt mit der Strömung der Flüssigkeit nach oben durch das hohle Zentrum 78 der Rotornabe 24 hindurch. Die Strömung durch das Innere der Rotornabe hindurch tritt durch Öffnungen 79 hindurch aus. Eine Gesamtzahl von acht gleich beabstandeten Öffnungen 79 ist vorgesehen, siehe Fig. 4. Eine Strömungsverteilungsplatte 80 ist mit Leitschaufeln ausgebildet und wird zur Verteilung der austretenden Strömung der Nabe 24 quer über die Fläche des oberen Kegels 74a verwendet. Die Art, in der die Flüssigkeit (Schmieröl) quer über und durch die einzelnen Kegel 74 des Kegelstapels 26 strömt, ist ein Strömungsweg und Strömungsphänomen, die im Stand der Technik gut bekannt sind. Dieser Strömungsweg und die hohe Umlaufgeschwindigkeit der Kegelstapelbaugruppe machen es möglich, daß die kleinen Rußteilchen, die durch das Öl getragen werden, unter Zentrifugalwirkung aus dem Öl abgeschieden und in der Zentrifuge gehalten werden.
Der Schwerpunkt der vorliegenden Erfindung liegt auf der Gestaltung der Basis 21, der Verwendung einer Turbine 29, der Art der Führung eines Fluids zu den Strömungsstrahldüsen 27 und 28 und der Ausbildung der Welle 23, die für die gewünschte Gestaltungskompatibilität mit der Basis 21, der Turbine 29 und den Düsen 27 und 28 sorgt. Die Basis 21 ist mit einer Einlaßöffnung 82 und einem Hauptdurchgang 83 ausgebildet und begrenzt diese. Den Hauptdurchgang 83 unter einem rechten Winkel kreuzend sind Strahldüsendurchgänge 84 und 85 vorgesehen. Der Durchgang 84 ist durch einen Anbringungspfosten 86 gebildet und schafft einen Fluidverbindungsweg zu der Strahldüse 27. An der entgegengesetzten Seite des Rads 33 und an der entgegengesetzten Seite der Basisnabe 87 für den Anbringungspfosten 86 befindet sich ein zweiter Anbringungspfosten 88, der den Durchgang 85 begrenzt. Der Durchgang 85 schafft einen Fluidverbindungsweg zu der Strahldüse 28. Die Nabe 87 der Basis 21 weist eine zylindrische Öffnung 89 auf, die mit Innengewinde ausgestattet ist und die den Hauptdurchgang 83 unter einem rechten Winkel kreuzt. Die Basis 90 der Welle 23 ist mit Außengewinde ausgestattet und über das Gewinde in der Öffnung 89 befestigt und in diese eingebaut. Die Basis 90 ist hohl und begrenzt einen Durchgang 91, der ein blindes distales Ende 92 und einen Drosselungsdurchgang 93 aufweist. Das distale Ende des Durchgangs 83 ist geschlossen (d. h. blind) wie auch das distale Ende des Durchgangs 84 und das distale Ende des Durchgangs 85.
Der Sitz des mit Keilen versehenen Endes 64 der Rotornabe 24 in der zylindrischen Öffnung 65 stützt die Rotornabe 24 innerhalb der Basisplatte 38 und hält den gesichert zusammengebauten Zustand zwischen der Basisplatte 38, dem Rotor mantel 39 und der Rotornabe 24 aufrecht. Ein Preßsitz oder sogar ein enger Sitz zwischen dem Ende 64 und der Öffnung 65 ist für die gewünschte Abstützung ausreichend. Der mit Keilen ausgestattete Sitz zwischen dem Ende 64 und der Öffnung 65 ist auch in Hinblick darauf gestaltet, eine relative Drehbewegung zwischen der Rotornabe 24 und der Basisplatte 38 zu verhindern. Der Sitz des Endes 64 innerhalb der Öffnung 65 schafft Austrittsströmungskanäle 66, die in den inneren Raum 95 der Basis 21 einmünden, der durch die Seitenwand 96 der Basis 21 begrenzt ist. Die Seitenwand 96 begrenzt weiter eine Auslaßabführungsöffnung 97, die gestattet, daß das von dem Rotor 25 austretende Öl über den Strömungskanal 66 von der Basis 21 aus abgeführt wird und sich auf einer Kreisbahn zu dem und durch den entsprechenden Motor oder einen bzw. einen anderen Teil der Anlage weiter bewegt. Das Schmieröl, das durch die Strahldüsen 27 und 28 zum Antrieb der Turbine 29 verwendet wird, sammelt sich auch in dem inneren Raum 95 und wird mit dem durch den Strömungskanal 66 hindurch austretenden Öl zusammengebracht, und dieses gemischte Öl ist es, das durch die Auslaßabführungsöffnung 97 hindurch austritt. Eine Spritzplatte 98 ist an der oberen Stirnfläche 99 und 100 der Pfosten 86 bzw. 88 befestigt.
Für den Betrieb der Zentrifuge 20 gemäß Darstellung in Fig. 1 tritt ein unter Druck (20-90 psi) stehender Fluidstrom (Öl) in die Zentrifugenbasis 21 über die Einlaßöffnung 82 und den Hauptdurchgang 83 ein. Das unter Druck stehende Öl wird den Durchgängen 84 und 85 sowie dem Durchgang 91 durch die zylindrische Öffnung 89 zugeführt. Der Pfosten 86 bildet eine Austrittsöffnung 103, die strömungstechnisch mit der Strahldüse 27 in Verbindung steht. Eine gleiche Austrittsöffnung 104 ist durch den Pfosten 88 gebildet und steht strömungstechnisch mit der Strahldüse 28 in Verbindung. Die blinde Gestaltung der Durchgänge 84 und 85 zwingt die eintretende Strömung durch die Öffnungen 103 und 104 heraus, um Strömungsstrahlen 27a und 28a zu schaffen, die die Turbine 29 antreiben, die ihrerseits die Rotornabe 24 und den übrigen Teil des Rotors 25 umlaufend antreibt. Die Hochgeschwindigkeits-Ströme des Fluids, die von den beiden Strömungsstrahldüsen austreten, schaffen die notwendige hohe Drehzahl für den Rotor 25, um die gewünschte Rußentfernungsrate aus dem. Öl zu erreichen, das durch den Rotor 25 hindurch geführt wird. Die erforderliche Geschwindigkeit ist eine Funktion der Größe des Außendurchmessers des Kegelstapels wie zuvor erörtert.
Bei der bevorzugten Ausführungsform weisen die Strahldüsen 27 und 28 je eine Austrittsöffnung auf, deren Durchmesser etwa 2,46 mm (0,09 Zoll) mißt. Jede Düse besitzt eine verjüngte Gestaltung am Inneren, um so einen glatten Übergang zu schaffen, der zu dem Austrittsöffnungsdurchmesser führt, um einen kohärenten stabilen Strahl mit minimaler Turbulenzenergie und maximal möglicher Geschwindigkeit zu entwickeln. Die Turbine 29 wandelt die kinetische Energie der Strahlen in ein Moment um, das der Rotornabe 24 verliehen wird. Wie beschrieben worden ist, werden verschiedene Arten und Gestaltungen für die Turbine 29 innerhalb des Umfangs und der Lehre der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen, die eine klassische Pelton-Turbine, obwohl in ihrer Größe miniaturisiert, eine modifizierte Halbbecher-Turbineart und eine Leitring- oder "Turgo"-Turbinenart umfassen. Von diesen Möglichkeiten ist die modifizierte Halbbecher-Turbinenart die bevorzugte Wahl. Der Leistungswirkungsgrad dieser Turbine ist optimiert, wenn die Bechergeschwindigkeit etwas kleiner als die Hälfte der Strahlgeschwindigkeit der auftreffenden Strömung ist. Bei einer idealen Gestaltung verläßt das Antriebsfluid den Becher mit einer Restgeschwindigkeit von nahezu Null, und das Antriebsfiuid fällt in den inneren Raum 95 der Basis herunter und tritt über die Abführungsöffnung 97 aus. Eine Sollgeschwindigkeit von 10.000 UpM mit einem Strahl von 480 kN/m² (70 psi), eine Gestaltung der Turbine 29 mit einem Becherteilungsdurchmesser von 28,96 mm (1,14 Zoll) und ein Versorgungsmoment von etwa 56 mm/kg (1 Zoll/lbs.) sind Charakteristika der Gestaltung der bevorzugten Ausführungsform. Bei diesen Spezifikationen beträgt der Pumpleistungsverlust (sekundäre Verlust) am Motor nur 150 W [0,2 HP] (weniger als 0,03% der Ausgangsleistung für die Größe des für diese Bedingungen untersuchten Motors).
Das über den Durchgang 83 eintretende Öl strömt auch durch die zylindrische Öffnung 89 hindurch nach oben in einen Durchgang 91 der Welle 23. Die nach oben gerichtete Strömung verläßt das Innere der Welle 23 über einen Drosselungsdurchgang 93. Bei der bevorzugten Ausführungsform mißt der Durchmesser der Austrittsöffnung für den Durchgang 93 1,85 mm (0,073 Zoll), was die Strömungsgeschwindigkeit durch den Rotor 25 hindurch auf etwa 2, 3 Liter pro Minute (0,7 US- Gallonen pro Minute) beschränkt. Im Test ist die Erfahrung gewonnen worden, daß es eine Hochmomenten-Widerstandsspitze gibt, wenn die Strömung zwischen 0,3 und 1,5 Liter pro Minute (0,2 und 0,4 US-Gallonen pro Minute) durch den Rotor hindurch beträgt. Eine Strömung mit 2, 3 Liter pro Minute (0,6 US-Gallonen pro Minute) vermeidet dieses Problem. Ein kritischer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Drosselung der ankommenden Strömung durch Verwendung des Durchgangs 93, der m der Nähe des Einlaßendes 107 der Rotornabe 24 angeordnet ist. In der Darstellung von Fig. 1 erstreckt sich die Rotornabe 24 in Richtung nach oben von der Basis 21 und der Basisplatte 38 aus zu dem Bereich der Befestigungsmutter 61 am oberen Ende oder Oberteil des Gefäßmantels 39. Da das ankommende Öl an der Öffnung 82 eintritt und von dort hinein und nach oben strömt, ist das untere Ende 107 der Rotornabe das Einlassende für den Zweck der Bildung des Strömungswegs.
Die Anordnung des Drosselungsdurchgangs 93 am Einlassende 107 der Rotornabe führt tatsächlich zu einer Druckentlastung des Inneren 78 der Rotornabe 24, und dies gestattet die Verwendung von abgedichteten Standard-Rollenlagern mit tiefer Rille an Stellen des oberen Rollenlagers 34 und am unteren Rollenlager 35. Die Verwendung dieser Art von Rollenlagern verringert den Drehwiderstand im Vergleich zu Zapfenlagern des Standes der Technik (alte Art). Bei inneren Drücken im Inneren 78 der Rotornabe 24, die höher sind als derjenige, der mit der vorliegenden Erfindung aufgrund der Drosselungswirkung herrscht, werden Zapfenlager benötigt, weil diese dem höheren Druck widerstehen können. Das Problem ist, daß Zapfenlager einen Drehwiderstand eines beträchtlichen Werts besitzen, der die Drehzahl beschränkt, die für den Rotor 25 erreicht werden kann. Dies führt dazu, daß der Wirkungsgrad der Rußentfernung wesentlich absinkt, was zu einer beachtlich weniger wirksamen Gestaltung und in durchaus zu vertretenden Weise zu einer unakzeptablen Gestaltung führt, wenn die Aufgabe in der Bekämpfung von Ruß besteht. Es gibt einen Dominoeffekt durch die Drosselung der Strömung und die Herabsetzung des inneren Drucks im Inneren 78. Die Möglichkeit der Verwendung von Rollenlagern bei der Zentrifugengestaltung, die die vorliegende Erfindung verkörpert, gestattet höhere Drehzahlen aufgrund des geringeren Widerstands, und somit können Drehzahlen im Bereich von 10.000 UpM (und höher) mit der vorliegenden Erfindung erreicht werden. Es ist festgestellt worden, daß Drehzahlen in diesem Bereich für eine wirksame Rußentfernung erforderlich sind.
Nach dem Austritt aus dem Wellendrosselungsdurchgang 93 bewegt sich das Prozeßfluid (Öl) in dem hohlen Zentrum oder Inneren 78 der Motornabe 24 zwischen der Welle 23 und der Nabe 24 nach oben. In der Nähe des oberen Bereichs der Nabe 24 ist eine Vielzahl von Auslaßlöchern vorgesehen, bei der bevorzugten Ausführungsform insgesamt acht. Das strömende Öl tritt durch jedes dieser Auslaßlöcher 79 hindurch, und die Strömung ist nach oben und um den Kegelstapel herum mittels einer Strömungsverteilungsplatte gerichtet, die mit radialen Leitschaufeln ausgestaltet ist, die das Fluid in der tangentialen Richtung beschleunigen.
Die Strömung wird über den gesamten Kegelstapel durch die vertikal ausgerichteten Kegeleinlaßlöcher verteilt und strömt durch die Spalten im Kegelstapel radial einwärts in Richtung zu der Nabe hin. Der Stapel der Kegel ist mittels der Rotornabenbasisplatte starr abgestützt. Nach dem Erreichen des Außendurchmessers der Nabe bewegt sich die Strömung durch fluchtende Ausschnitte am Innendurchmesser der Kegel nach unten und verläßt das innere Volumen 73 durch die Strömungskanäle 66 hindurch. Als Alternative zu dieser Gestaltung kann die Basisplatte 38 eine solche einstückiger Gestaltung mit durch die Platte hindurch gebohrten Löchern für Fluidaustrittswege sein. Es ist wichtig, daß die Strömung aus den Strömungskanälen 66 so nahe wie möglich bei der Drehachse austritt, um eine Herabsetzung des Widerstands/der Geschwindigkeit infolge des zentrifugalen "Pump"-Energieverlusts durch Herausströmen bei einer hohen tangentialen Geschwindigkeit zu verhindern, die proportional zum Radius zunimmt. Auch muß die austretende Strömung die Kegelstapelanordnung in einer solchen Weise verlassen, daß sie die Außenfläche der Basisplatte nicht kontaktiert und als Folge Energie raubt, indem sie erneut beschleunigt wird und vom Außendurchmesser der Rotorbasis mit einer hohen Geschwindigkeit "herausgeschleudert" wird. Dieses Ergebnis wird durch Führung der austretenden Ölströmung durch den Strömungskanal 66 zu einem Punkt unterhalb der Spritzplatte 98 erreicht, und dies lenkt das Sprühöl nach unten und von der umlaufenden Rotornabe 24 weg in Richtung zu der Abführungsöffnung 97 hin. Wenn bei einer alternativen Gestaltung die Spritzplatte nicht verwendet wird, muß das austretende Öl von einem Punkt tiefer als der tiefste Punkt der Basisplatte aus austreten, so daß das Öl nicht erneut an der Oberfläche des umlaufenden Rotors mitgerissen wird, wenn es von dem Austrittspunkt aus radial nach außen fliegt. Wie beschrieben vermischt sich das "reine" Prozeßfluid dann mit dem Antriebsfluid, und tritt aus der Gehäusebasis 21 mittels der Abführungsöffnung 97 infolge der Schwerkraft aus.
Unter Bezugnahme auf Fig. 6 wird eine alternative Kegelstapel-Zentrifuge 120 offenbart. Es ist zu beachten, daß die Zentrifuge 120 eine Bauweise aufweist, die in vielerlei Hinsicht ziemlich ähnlich der Kegelstapel-Zentrifuge 20 von Fig. 1 ist. Die hauptsächlichen Unterschiede zwischen der Kegelstapel-Zentrifuge 120 und der Kegelstapel-Zentrifuge 20 umfassen die Gestaltung und die Beziehung für die Basis 21, die Welle 23, die zylindrische Öffnung 89 und den Hauptdurchgang 83. Ein Vergleich dieser Bereiche der Zentrifuge 20 mit den entsprechenden Bereichen der Zentrifuge 120 ergibt die nachfolgenden Unterschiede. Bei der Gestaltung der Zentrifuge 20 von Fig. 1 steht der Hauptdurchgang 83 in direkter Strömungsverbindung mit der Öffnung 89 der Basisnabe 87. Wie dargestellt erstreckt sich die Öffnung 89 nicht axial durch den Hauptdurchgang 83 hindurch, sondern bildet tatsächlich einen T-Schnittpunkt an diesem Punkt. Bei der Gestaltung von Fig. 6 gibt es keine Strömungsverbindung zwischen der zylindrischen Öffnung 121 in der Basis und dem Hauptdurchgang 122. Stattdessen erstreckt sich das untere Ende oder die Basis 123 der Welle 124 der Zentrifuge 120 axial oberhalb desjenigen bzw. derjenigen der Basis 90 derart, daß sich die Welle 124 durch den Hauptdurchgang 122 erstreckt und durch die untere Öffnungsverlängerung 125 der zylindrischen Öffnung 121 austritt. Die Welle 124 ist in Fig. 7 als ein separates Bauteil dargestellt. Die untere Öffnungsverlängerung 125 kreuzt den Hauptdurchgang 122 gemäß Darstellung und fluchtet axial mit dem oberen Bereich der zylindrischen Öffnung 121, der sich oberhalb des Hauptdurchgangs 122 befindet. Die Gestaltung der Basis 126 der Zentrifuge 120 ist in Fig. 8 dargestellt. Die Basis 123 der Welle 124 weist noch einen Durchgang 127 auf, der einen Strömungsweg von einer Einlaßöffnung 128 aus zu Drosselungsdurchgän gen 129 und 130 bildet. Die Turbine 29 wird jetzt als 134 bezeichnet, jedoch ist ihre Gestaltung grundsätzlich die gleiche. In Fig. 6A ist die alternative Art der Turbine mit einer Gestaltung mit einem geschlitzten Becher als Turbine 134a bezeichnet.
Es ist zu beachten, daß die Welle 23 einen einzigen Drosselungsdurchgang 93 aufweist, während die Welle 124 (Fig. 6) zwei Drosselungsdurchgänge 129 und 130 aufweist. Der Grund hierfür besteht in der Tatsache, daß es bei der Ausführungsform von Fig. 6 möglich ist, die ankommende Strömung des Öls an fast jedem Punkt stromaufwärts der Durchgänge 129 und 130, vorzugsweise außerhalb der Zentrifuge, zu drosseln. Als Folge müssen die Durchgänge 129 und 130 nicht als das einzige Drosselungsmittel dienen. In Fig. 1 wird das ankommende Öl auch zum Antrieb der Turbine 29 verwendet, und die Drosselung der Strömung außerhalb der Zentrifuge würde die Turbinendrehzahl nachteilig beeinflussen. Aus diesem Grund wird die Drosselung der Strömung zum Rotor 25 mittels des Durchgangs 93 durchgeführt. Es ist leichter, die Drosselungsfunktion mit einem einzigen Durchgang im Vergleich zu zwei Durchgängen durchzuführen. Aus diesem. Grund ist nur ein einziger Durchgang 93 bei der Ausführungsform von Fig. 1 vorgesehen.
Weil der innere Durchgang 127 durch die Welle nicht in Strömungsverbindung mit dem Hauptdurchgang 122 steht, wird die ankommende Strömung (Öl) an der Einlaßöffnung 128 nicht zum Antrieb der Turbine 134 verwendet. Die Turbine 134 ist praktisch mit der Turbine 29 identisch, und der Rest der Zentrifuge 120 ist mit der oben beschriebenen Ausnahme praktisch identisch zur Zentrifuge 20. Zum Antrieb der Turbine 134 mittels der Strömungsstrahldüsen 135 und 136 wird ein unter Druck stehendes Fluid in den Hauptdurchgang 122 über die Einlaßöffnung 137 eingeführt. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das unter Druck stehende Fluid (d. h. Antriebsfluid) ein Gas. Das unter Druck stehende Gas folgt dem gleichen Weg wie das Öl bei der Gestaltung von Fig. 1 mit der Ausnahme, daß das unter Druck stehende Gas nicht in den Durchgang 127 einströmt und als solches nicht in die Kegelstapelanordnung 138 eingeführt wird.
Damit das unter Druck stehende Gas zu einem Durchgang 139 in einem Pfosten 140 und schließlich zu einer Strahldüse 136 strömt, ist die Basis 123 der Welle 124 mit einer Kerbe an der Stelle 141 ausgestaltet oder eingezogen, damit das unter Druck stehende Gas frei um die Basis 123 der Welle 124 herum strömen kann. Ein Durchgang 142 in einem Pfosten 143 steht mit dem Durchgang 122 zur Zuführung des unter Druck stehenden Gases zu der Strahldüse 135 in Verbindung. Ein O-Ring 144 ist zwischen der Basis 123 und der unteren Öffnungsverlängerung 125 angeordnet. Die Einlaßöffnung 128 ist mit einem Innengewinde zum Anschluß einer Einführungsleitung ausgestattet, die das in die Kegel Stapelanordnung einzuführende Fluid zuführt.
Das Gas (typischerweise Luft), das zum Antrieb der Turbine 134 in Fig. 6 verwendet wird, muß von der Zentrifuge 120 aus an die Atmosphäre abgegeben werden. Während eine Vielzahl von Abführungsgestaltungen und -stellen für diese Aufgabe geeignet ist, ist es wichtig, zuerst jeglichen Ölnebel abzuscheiden, der mit der Luft vermischt sein kann. Zu diesem Zweck ist eine Einrichtung 150 zur Tröpfchenbildung an dem Glockengehäuse 151 befestigt und um den Auslaß 152 herum abgedichtet. Wenn der Sprühnebel oder das Aerosol aus Luft und Öl durch den Auslaß 152 hindurch austritt, zieht das Innere der Einrichtung 150 zur Tröpfchenbildung das Öl aus der Luft heraus. Die Luft strömt dann zur Atmosphäre, und das Öl tropft allmählich in die Zentrifuge zurück. Das Innere der Einrichtung 150 zur Tröpfchenbildung weist ein Metallgitter oder alternativ ein gewebtes oder nicht-gewebtes synthetisches Gitter auf, die alle im Stand der Technik wohl bekannt sind.
Zahlreiche Arten und Gestaltungen der Turbine 29 und der entsprechenden Becher sind hier angesprochen worden, einschließlich einer klassischen Pelton-Turbine 29a mit einer geschlitzten Bechergestaltung für die einzelnen Becher 32a (Fig. 1A) und einer modifizierten Halbbecher-Turbine 29 mit ihren Bechern 32 (Fig. 1). Jede Art einer Aktionsturbine ist für die Ausführungsformen von Fig. 1 und Fig. 6 sowie für die alternativen Ausführungsformen von Fig. 1A und 6A geeignet. Die schematische Darstellung von Fig. 2 dient als eine geeignete gattungsgemäße Darstellung der Turbinen 29 und 29a, auch wenn sie als Turbine 29 bezeichnet ist.
Bei der Erörterung anderer Möglichkeiten oder Abänderungen der Turbine 29 wurde eine Leitschaufelring-Turbine oder Turgo-Turbine genannt, Während die einzelnen Leitschaufeln einer solchen Turbinenart praktisch auf jedem Durchmesser angeordnet werden können, ist der Wirkungsgrad bei mit Gas angetriebener Arbeitsweise verbessert, wenn der Durchmesser des Leitschaufelkreises gegenüber dem dargestellten Durchmesser des Becherkreises der Turbine 29 vergrößert ist. Die Turbine mit Leitschaufelring wird für mit Gas angetriebene Zentrifugen bevorzugt. Es ist bekannt, daß die optimale Leitschaufelgeschwindigkeit halb so groß ist wie die Strahlgeschwindigkeit, und auf der Grundlage einer gedrosselten Strömung (Strahl mit Schallgeschwindigkeit) wird es bevorzugt, die mit Gas angetriebenen Leitschaufeln entlang eines größeren Durchmessers anzuordnen.
Entsprechend zeigen Fig. 9-11 eine Leitschaufelring-Turbine 160, die durch die Befestigung der einzelnen Leitschaufeln 161 an der äußeren Fläche des im allgemeinen zylindrischen Bereichs 162a des Rotormantels 162 gebildet ist, die sich in der Nähe des unteren Randes 163 befindet. Jede Leitschaufel 161 besitzt eine gekrümmte Form mit einer konkaven Aufprall fläche 164. Mit dieser Art der Leitschaufeln ist die Strahldüse 165 unter einem Winkel zwischen 5 und 20º bezogen auf die Leitschaufelmittellinie gerichtet, wobei dieser Winkel im allgemeinen mit dem Winkel, des vorderen Rands der Leitschaufel 161 zusammenfällt. Die Strahldüse 165 liefert einen Luftstrahl von einem Durchgang 166 aus, der auf die Leitschaufeln in einer Drehsequenz auftrifft und somit den Rotor, der an der Welle gelagert angebracht ist, antreibt (in Umlauf versetzt).
Für einen mit Gas angetriebenen Betrieb der Zentrifuge von Fig. 6, 6A und 9 ist der Gasstrahl ein solcher mit Schallgeschwindigkeit (für einen Druck oberhalb von etwa 13 psig). Die optimale Leitschaufelgeschwindigkeit (Fig. 9) für die maximale kinetische Energieextraktion liegt bei etwa dem 0,4-fachen der Strahlgeschwindigkeit, die bei etwa 134 m/sec (440 Fuß pro Sekunde) [für eine Schallgeschwindigkeit von 335 m/sec (1.100 Fuß pro Sekunde)] liegt. Bei 10.000 UpM mit einem Rotordurchmesser von 185,42 mm (7,3 Zoll) liegt die Leitschaufelgeschwindigkeit (wobei die Leitschaufeln 161 an dem in Fig. 9 dargestellten Umfang angeordnet sind) bei etwa 97,50 m/sec (320 Fuß pro Sekunde), was in Hinblick auf die optimale Geschwindigkeit noch "langsam" ist.
Die für die Zentrifuge von Fig. 9 verwendete Leitschaufel- Turbine (Leitschaufelring-Turbine) kann mit den Zentrifugen- Ausführungsformen von Fig. 1, 1A, 6 und 6A als Ersatz für die modifizierten Turbinenarten mit Halbbechern und geschlitzten Bechern verwendet werden. Es gibt dennoch Unterschiede des Wirkungsgrads auf der Grundlage der Turbinenart, die verwendet wird, der Anordnung der Turbine, des Durchmessers des Rotors, des Antriebsmediums und der Strahlgeschwindigkeit.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die stationären Strahldüsen 27 und 28 von Fig. 1 und die stationären Strahldüsen 135 und 136 von Fig. 6 dadurch modifiziert, daß ein wabenförmiges Einsatzstück 170 (siehe Fig. 12) im Einlaß jeder Strahldüse angeordnet ist. Jede der einzelnen Strömungsöffnungen 170a ist durch eine sechseckige äußere Wand begrenzt und erstreckt sich über die gesamten Länge des Einsatzstücks 170. Die Funktion des Einsatzstücks 170 besteht darin, die Strömung geradlinig auszurichten, indem die Einlaßturbulenz beseitigt oder verringert wird. Als Folge der Verwendung des Einsatzstücks 170 gibt es eine beachtenswerte Verbesserung der Kohärenz und Stabilität des Strahlstroms, der die Düse verläßt und der zu der Turbine gerichtet ist. Dieses wabenförmige Einsatzstück 170 kann auch in Verbindung mit der Strahldüse 165 verwendet werden, wenn die Einlaßturbulenz ein Problem ist.
Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 1 und 6 sind die entsprechenden stationären Strahldüsen 27 und 28 bzw. 135 und 136 an entsprechenden Anbringungspfosten (86, 88, 140 und 143) angeordnet und angebaut. Jeder Anbringungspfosten begrenzt einen inneren Strömungsdurchgang, der mit dem Einlaß der entsprechenden Strahldüse in Verbindung steht. Fig. 14 ist eine gattungsgemäße Darstellung einer repräsentativen Baugruppe aus Strahldüse und Anbringungspfosten für den Zweck der Beschreibung der Einlaßturbulenz und der Anordnung und Funktion des Einsatzstücks 170.
Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 14 verläuft die zentrale Strömungsachse 171 der repräsentativen Strahldüse 172 im allgemeinen rechtwinklig zu der zentralen Strömungsachse 173 des Strömungsdurchgangs 174 im Anbringungspfosten 175.
Tatsächlich macht die Strömung vom Durchgang 174 aus zum Düseneinlaß 176 hin eine Wende um einen rechten Winkel erforderlich. Jegliche dadurch geschaffene Turbulenz wird durch die Art des verschlossenen Endes 177 des Anbringungspostens 175 und jede Umkehrströmung, die zum Einlaß 176 zurückströmt, gesteigert.
Wenn es eine Strömungsturbulenz am Einlaß 176 der Strahldüse 172 (teilweise bewirkt durch die 90º-Biegung der Strömung) gibt, gibt es einen Zerfall des austretenden Strömungsstroms vor dem Aufprall auf die Turbinenbecher (siehe Fig. 1 und 6). Wenn der austretende Strömungsstrom oder -strahl vor dem Aufprall auf die Turbinenbecher zerfällt, nimmt der Wirkungsgrad der Turbine ab. Eine weniger wirkungsvolle Turbine kann zu einer Turbinendrehzahl niedriger als diejenige, die für diese besondere Anwendung gewünscht ist, oder zu einer Vergrößerung des Pumpens des Schmieröls und des Stromverbrauchs führen, damit die gewünschte Drehzahl aufrechterhalten werden kann.
Es ist festgestellt worden, daß einer der Schlüsselfaktoren, die einen Beitrag zur Optimierung des Wirkungsgrads der Aktionsturbine leisten, in einem stabilen, kohärenten Flüssigkeitsstrahl besteht, der von jeder Strahldüse aus austritt, wenn er auf die Turbinenbecher auftrifft. Wenn es einen Zerfall des austretenden Strömungsstroms, zu sehen als Tröpfchen oder als Ausfächerungsmuster, unmittelbar nach dem Austritt aus der Strahldüse gibt, besteht eine sehr schwache Strahlqualität und die Turbine ist ineffizient. Ein beim Entwurf angestrebter thermodynamischer Wirkungsgrad von 50 bis 60% kann auf bis zu 25 bis 35% infolge des Zerfalls des austretenden Strömungsstroms absinken.
Mittels des wabenförmigen Einsatzstücks 170 gibt es eine Verbesserung des Wirkungsgrads der Turbine infolge der verbesserten Kohärenz und Stabilität des Flüssigkeitsstrahls der auf die Turbinenbecher gerichtet ist. Das Einsatzstück 170 richtet die Strömung am Einlaß 176 erneut derart aus, daß sie in der Richtung des verjüngten Auslasses 178 der Strahldüse 172 geradlinig verläuft. Dies wiederum schafft stärker laminare Eintrittsbedingungen am Düsenhals, was zu einem kohärenten, stabilen austretenden Strahl führt. Diese Verbesserung führt zu einer wesentlichen Vergrößerung des Wirkungsgrads der Turbine, was es gestattet, daß die Zentrifuge die gewünschte Geschwindigkeit mit geringerem Energieverbrauch und Pumpen des Schmieröls erreicht.
Das Einsatzstück 170 ist aus einem verhältnismäßig dünnen Abschnitt einer Aluminiumfolie mit einer Dicke von etwa 8,9 mm (0,35 Zoll) hergestellt. Jede einzelne Zelle 170a (sechseckige Öffnung) mißt etwa 1,09 mm (0,043 Zoll) quer zu den einander gegenüberliegenden flachen Seiten. Die Länge des Einsatzstücks 170 ist eine solche, daß es vollständig in die Düse 172 bis zu der Stelle des Halses eingesetzt ist, an der die Einlaßöffnung sich zu verjüngen beginnt. Das entgegengesetzte Ende des Einsatzstücks 170 erstreckt sich über das Ende der Düse 172 hinaus in das Innere des Durchgangs 174, wie in Fig. 14 dargestellt ist. Die Größe des Außendurchmessers der Fläche 170b des Einsatzstücks 170 mißt etwa 6,35 mm (0,25 Zoll) und ist so bemessen, daß er eng in den Strahldüseneinlaß 176 paßt.
Möglichkeiten für das Einsatzstück 170 umfassen die Verwendung eines gegossenen Kunststoffteils (siehe Fig. 13) oder eines Formgußmetalls wie Zn, Mg oder Al. Mit diesen alternativen Materialien könnte auch ein Einsatzstück 170c mit den gewünschten langen und engen kapillarröhrchenartigen (zylindrischen) Durchgängen 170d hergestellt werden, um die gewünschte laminare Strömung zu schaffen. Jeder Durchgang 170d mißt etwa 0,86 mm (0,034 Zoll) im Durchmesser.
Weitere Möglichkeiten für das Einsatzstück 170 umfassen die Verwendung eines sehr groben Sintermetall-Stopfens oder einer gewebten Drahtmaschenscheibe, die über dem Düseneinlaß 176 befestigt ist. Jedoch haben diese Möglichkeiten einen mit ihnen verbundenen höheren Druckabfall, der nicht erwünscht ist, obwohl sie die Turbulenz am Düseneinlaß 176 noch herabsetzen würden.
Zwar ist die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorausgehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben worden, jedoch sind diese als erläuternd und nicht einschränkend zu verstehen, wobei es selbstverständlich ist, daß nur die bevorzugte Ausführungsform dargestellt und beschrieben ist und daß alle Änderungen und Modifikationen, die innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche liegen, geschützt sein sollen.

Claims

1. Kegelstapel-Zentrifuge (20, 120) zum Absondern von Teilchenmaterial aus einem zirkulierenden Fluid, wobei die Zentrifuge umfaßt,

einen Rotor (25), der einen Kegelstapel (26) und eine hohle Rotornabe (24) enthält, die ausgebildet und angeordnet ist, um sich um eine Achse zu drehen;

eine Basisanordnung (21, 126), die einen Fluideinlaß (82, 125), einen ersten Durchgang (83, 127), einen zweiten Durchgang (84, 142) und eine hohle Basisnabe (87) bildet, wobei der Fluideinlaß (82, 125) mit der hohlen Basisnabe (87) durch den ersten Durchgang (83, 127) verbunden ist;

ein Wellenzentralrohr (23, 124), das an der Basisnabe (87) befestigt ist und sich durch die Rotornabe (24) hindurcherstreckt, wobei das Wellenzentralrohr (23, 124) einen Durchgang (91, 127) in sich hat, um Fluid von dem ersten Durchgang (83, 127) zu dem Kegelstapel (26) zu liefern;

ein Lager (34), das zwischen der Rotornabe (24) und dem Wellenzentralrohr (23, 124) für eine Drehbewegung des Rotors (25) um das Wellenzentralrohr (23, 124) angeordnet ist;

eine Aktionsturbine (29), die an dem Rotor (25) befestigt ist; und

eine Strömungsstrahldüse (27, 135), die strömungsmäßig mit dem zweiten Durchgang (84, 142) verbunden ist und ausgebildet und angeordnet ist, um einen Strömungsstrahl des Fluids auf die Aktionsturbine (29) zu richten, die ihrerseits eine Drehbewegung dem Rotor (25) aufprägt,

gekennzeichnet durch ein Strömungslenk-Einsatzstück (170), das in die Strömungsstrahldüse (27, 135) eingebaut ist, um die Einlaßturbulenz zu verringern.

2. Kegelstapel-Zentrifuge (20, 120) nach Anspruch 1, bei der die Aktionsturbine (29) eine Vielzahl von einzelnen Turbinenbechern (32) enthält, von denen jeder eine Halbbecherform hat, und die ausgebildet und angeordnet sind, daß der Strömungsstrahl des Fluids auf sie einwirken kann.

3. Kegelstapel-Zentrifuge (20, 120) nach Anspruch 2, bei welcher das Strömungslenk-Einsatzstück (170) einevielzahl von beabstandeten Strömungsöffnungen (170a) bildet.

4. Kegelstapel-Zentrifuge (20, 120) nach Anspruch 1, bei welcher die Aktionsturbine (29) eine Vielzahl von einzelnen Turbinenbechern (32) enthält, von denen jeder eine geteilte Becherform hat, und die ausgebildet und angeordnet sind, daß der Strömungsstrahl des Fluids auf sie einwirken kann.

5. Kegelstapel-Zentrifuge (20, 120) nach Anspruch 4, bei welcher das Strömungslenk-Einsatzstück (170) eine Vielzahl von beabstandeten Strömungsöffnungen (170a) bildet.