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Die
Erfindung betrifft im großen
und ganzen die ununterbrochene Abscheidung von festen Teilchen wie Ruß aus einem
Fluid wie Öl
durch die Verwendung eines Zentrifugalfeldes. Genauer ausgedrückt betrifft
die Erfindung die Verwendung einer Kegel-(Scheiben)stapelzentrifugenkonfiguration
in einer Zentrifugenbaugruppe, die ein Turbinenrad zum Drehantreiben
eines Rotors enthält.
Das Turbinenrad wird von Strahldüsen
angetrieben, die tangential zu der kreisförmigen Mittellinie des Laufrades
ausgerichtet sind.
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Die
Konstruktion von Dieselmotoren sieht relativ hochentwickelte Luft-
und Kraftstofffilter (Reiniger) vor, um Schmutz und Bruchteile aus
dem Motor heraus zu halten. Selbst mit diesen Luft- und Kraftstoffreinigern werden
Schmutz und Bruchteile, zu denen vom Motor erzeugte Abriebteilchen
gehören,
einen Weg in das Schmieröl
des Motors finden. Das Resultat ist Verschleiß an kritischen Motorbauteilen
und Motorversagen, wenn dieser Zustand ungelöst bleibt oder ihm nicht abgeholfen
wird. Aus diesem Grund sieht die Konstruktion von vielen Motoren
Vollstromölfilter
vor, die das Öl
ununterbrochen reinigen, während
es zwischen dem Schmiermittelsumpf und den Motorteilen zirkuliert.
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Für diese
Vollstromfilter gibt es eine Anzahl von Konstruktionsbeschränkungen
und Erwägungen,
und typischerweise bedeuten diese Beschränkungen, daß solche Filter nur diejenigen
Schmutzteilchen entfernen können,
die im Bereich von 10μ oder
größer sind.
Obwohl die Entfernung von Teilchen dieser Größe einen plötzlichen Vollausfall verhindern
mag, wird eine schädliche
Abnutzung immer noch von kleineren Schmutzteilchen hervorgerufen
werden, die in das Öl
gelangen und dort bleiben. Um zu versuchen, das Problem mit den kleinen
Teilchen anzugehen, sind die Konstrukteure zu Bypassfiltersystemen übergegangen,
die einen vorbestimmten Pro zentsatz des gesamten Ölstromes
filtern. Die Kombination aus einem Vollstromfilter und einem Bypassfilter
verringert den Motorverschleiß auf
ein akzeptables Niveau, aber nicht auf das gewünschte Niveau. Da Bypassfilter
in der Lage sein mögen,
Teilchen, die kleiner als ungefähr
10μ sind,
zu fangen, erbringt die Kombination aus einem Vollstromfilter und
einem Bypassfilter eine erhebliche Verbesserung gegenüber der Verwendung
von nur einem Vollstromfilter.
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Obwohl
Zentrifugenreiniger auf vielfältige
Weise konfiguriert werden können,
wie durch die früheren Konstruktionen
Anderer gezeigt wird, ist ein für
einen Teil der früheren
Konstruktionsentwicklung typisches Produkt die Spinner II®-Ölreinigungszentrifuge,
die von Glacier Metal Company Ltd., Somerset, Ilminister, Vereinigtes
Königreich,
hergestellt und von T.F. Hudgins, Inc. Houston, Texas, angeboten
wird. Verschiedene Weiterentwicklungen und Verbesserungen des Spinner
II®-Produktes
sind Gegenstand des US-Patents 5,575,912 das am 19. November 1996
an Herman erteilt wurde, und des US-Patents Nr. 5,637,217, das am
10. Juni 1997 an Hermann erteilt wurde.
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Die
GB-A 2 297 505 lautet auf den Namen der Glacier Metal Company Ltd.
und offenbart einen fluidgetriebenen Zentrifugalreiniger. Dieser
Reiniger ist so ausgeführt,
dass er ein zu reinigendes Fluid und ein Antriebsfluid jeweils über einen
entsprechenden Durchgang in seinem Unterteil empfängt und
beide Fluids zu einem Rotor des Reinigers transportiert. In dem
Rotor wird das Antriebsfluid zu einer Antriebsdüseneinrichtung zum Ausstoß daraus
transportiert, um dem Rotor eine Drehbewegung zu erteilen, und wird
das zu reinigende Fluid einer zentrifugalen Reinigung in dem Rotor
als Folge von dessen Drehung unterzogen. Das Antriebsfluid und das
Fluid, das zentrifugal gereinigt wurde, sammeln sich in einem Ausströmbereich
zwecks Ausströmung aus
dem Reiniger über
einen Auslaßgang.
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Gegenwärtig gibt
es ein Motorbetriebsphänomen,
das inakzeptable Mengen an Schmierölruß erzeugt. Ein überwiegender
Teil dieses Schmierölrußes muß aus dem
zirkulierenden Öl wegen
des verschleißerzeugenden
Charakters des Rußes
und des entsprechenden Risikos von inakzeptabler Abnutzung von kritischen Motoroberflächen und
an kritischen Motorschnittstellen entfernt werden. Zunehmend strengere
NOx-Emissionsvorschriften bewirken die weit
verbreitete Verwendung von verzögerter
Einspritzung und in manchen Fällen Abgasrückführung oder
Wassereinspritzung, um den Verbrennungsvorgang weiter zu verzögern. Dies
wiederum verringert Spitzentemperaturen und verursacht NOx-Bildung. Die verzögerte Verbrennung gestattet
jedoch die Ablagerung von Ruß an
exponierten Zylinderwänden
und die anschließende Übertragung
auf das Schmieröl
durch das Schaben der Ringe. Zum Untersuchen von Schmierölruß gewonnene
Motorendaten haben Anteile von bis zu sieben Prozent (7%) in 250
Betriebsstunden zum Vorschein gebracht. Obwohl dieser Schmierölruß eine relativ
winzige Größe von ungefähr 0,02
bis 0,06μ hat,
ist er immer noch von Natur aus verschleißerzeugend und in der Lage,
Abnutzung an kritischen Schnittstellen mit hohem Druck/hoher Belastung, wie
sie an Bauteilen von Ventilreihen vorgefunden werden, zu verursachen.
Für weitere
Informationen betreffend die verschleißerzeugende Art und Abnutzung
wird auf den SAE-Bericht Nr. 971631 verwiesen.
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Von
Bedeutung für
die vorliegende Erfindung ist die Erkenntnis, dass die Entfernung
der äußerst kleinen
Rußteilchen
durch herkömmliche
Filtrierung oder mittels herkömmlichen
Zentrifugalabscheidern, zu denen Kegelstapelkonstruktionen gehören, sich
im großen
und ganzen als erfolglos erwiesen hat. Einer der beschränkenden
Faktoren ist die Drehgeschwindigkeit, mit der Zentrifugalabscheider
typischerweise angetrieben werden. Die typische oder normale Drehgeschwindigkeit
von Heron-Turbinen-Zentrifugalabscheidern liegt im Bereich von ungefähr 5000
Umdrehungen pro Minute für
einen Rotor mit einem Kegelstapel mit einem Außendurchmesser von 12,1 cm
(4,75 Zoll) und ungefähr
7000 Umdrehungen pro Minute für
einen Rotor mit einem Kegelstapel mit einem Außendurchmesser von 8,9 cm (3,50
Zoll). Diese Geschwindigkeiten sind nicht hoch genug, um den Ruß in ausreichender
Menge bzw. Geschwindigkeit zu entfernen, um die Rußansammlung
in dem Öl
zu steuern. Ungefähr
zwei Mal so hohe Mengen bzw. Geschwindigkeiten wie die angegebenen
sind notwendig, um das Rußansammlungsproblem
wirksam anzugehen.
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Das Öl im Sumpf
beginnt als sauberes Öl,
und während
des Betriebs des Motors sammelt sich allmählich Ruß an. Das Ziel besteht darin,
den Anteil des Rußes
in dem Sumpföl
zu steuern. Obwohl sich ein Gleichgewichtszustand rechtzeitig einstellen
wird, wenn die Entfernungsrate die gleiche ist wie die Zugaberate,
ist der Schlüssel
der Anteil von Ruß.
Die maßgebliche
Gleichung ist die folgende:
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Der
Entfernungswirkungsgrad und die Strömungsgeschwindigkeit sind derart
miteinander verbunden, dass wenn man die Strömungsgeschwindigkeit einfach
verdoppelt der Wirkungsgrad um die Hälfte gesenkt wird. Der Schlüssel ist
der Entfernungswirkungsgrad. Wenn dieser erhöht werden kann, wird die Rußkonzentration
im Sumpf abgesenkt, ohne irgendwelche andere Faktoren oder Komponenten
zu ändern.
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Angesichts
der diskutierten Probleme und Fragen hinsichtlich der gegenwärtigen Zentrifugalabscheiderkonstruktionen,
wäre es
eine Verbesserung, eine Konfiguration zu ersinnen, die geeignet
ist, um eine höhere
Antriebs(Dreh)geschwindigkeit zu erzeugen. Tests haben gezeigt,
dass wenn ein Zentrifugalabscheider mit einer näher bei 10.000 Umdrehungen
pro Minute liegenden Drehgeschwindigkeit angetrieben wird, es möglich ist,
eine drastische Rußverringerung
von einem Gehalt von ungefähr
4,1% auf einen Gehalt von ungefähr
0,8% in der Schmiermittelflüssigkeit
bei einer Sumpfzirkulation von 280 Stunden (Testen mit Motor Aus) nachzuweisen.
Die vorliegende Erfindung liefert einen verbesserten Aufbau eines
Kegelstapel-Zentrifugalabscheiders, der in der Lage ist, die gewünschte Geschwindigkeit
von 10.000 Umdrehungen pro Minute zu erzeugen, ohne den Schmier mittelsystemdruck über den
normalen und gewünschten
Betriebsdruck von 4,9 Kilopond/Quadratzentimeter (70 PSI) erhöhen zu müssen. Der
Betriebsdruckbereich beträgt
von ungefähr
2,81 Kilopond/Quadratzentimeter (40 PSI) bis zu einer oberen Grenze
von ungefähr
6,3 Kilopond/Quadratzentimeter (90 PSI).
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Ein
Problem mit diesem Druckbereich besteht darin, dass die Lager, die
den Rotor abstützen,
so ausgelegt sein müssen,
dass sie den Druck in dem Rotor aushalten und darin halten. Obgleich
Zapfenlager für diese
erhöhten
Druckwerte bevorzugt werden, haben diese Lager einen durch viskose
Scherung des dünnen Ölfilms zwischen
Lager und Welle hervorgerufenen Drehwiderstandskoeffizient, der
die Kegelstapelzentrifuge daran hindert, mit der gewünschten
Geschwindigkeit von 10.000 Umdrehungen pro Minute (oder schneller)
angetrieben zu werden. Durch Verringern des Betriebsdruckes in dem
Zentrifugenrotor können
Rollenlager verwendet werden, die einen wesentlich geringeren Widerstandskoeffizient
haben und daher eine höhere
Drehgeschwindigkeit gestatten.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Erfindungsgemäß wird eine
Kegelstapelzentrifuge, wie in den Ansprüchen 1 und 2 definiert, bereitgestellt.
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Merkmale
von Ausführungsbeispielen
dieser Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen
definiert.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Kegelstapelzentrifuge
bereitzustellen.
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Verwandte
Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigt
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1 eine
im Vollschnitt dargestellte Vorderansicht einer Kegelstapelzentrifuge
gemäß einem
typischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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1A eine
im Vollschnitt dargestellte Teilvorderansicht einer Kegelstapelzentrifuge
gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 eine
schematische Draufsicht einer Gleichdruckturbine und der damit zusammenwirkenden Strahldüsen, die
einen Teil der Kegelstapelzentrifuge der 1 bilden;
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2A eine
im Vollschnitt dargestellte Vorderansicht eines abgewandelten Halbbechers
zur Verwendung als Teil der Gleichdruckturbine der 2,
die in der Kegelstapelzentrifuge der 1 verwendet
wird;
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2B eine
perspektivische Ansicht des abgewandelten Halbbechers der 2A;
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3 eine
im Vollschnitt dargestellte Vorderansicht einer Zentralwelle, die
einen Teil der Kegelstapelzentrifuge der 1 bildet;
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4 eine
im Vollschnitt dargestellte Vorderansicht einer Rotornabe, die einen
Teil der Kegelstapelzentrifuge der 1 bildet;
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5 eine
Draufsicht der Rotorwelle der 4;
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6 eine
im Vollschnitt dargestellte Vorderansicht einer Kegelstapelzentrifuge
gemäß einem
alternativen Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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6A eine
im Vollschnitt dargestellte Teilvorderansicht einer Kegelstapelzentrifuge
gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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7 eine
im Vollschnitt dargestellte Vorderansicht einer Zentralwelle, die
einen Teil der Kegelstapelzentrifuge der 6 bildet;
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8 eine
im Vollschnitt dargestellte Vorderansicht eines Unterteils, das
einen Teil der Kegelstapelzentrifuge der 6 bildet;
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9 eine
im Vollschnitt dargestellte Teilvorderansicht einer Radschaufelkranz-Gleichdruckturbine, die
geeignet ist als Teil der Kegelstapelzentrifuge gemäß der Erfindung
verwendet zu werden;
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10 eine
Teildraufsicht der Radschaufelkranz-Turbine der 9;
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11 eine
schematische Darstellung einer Radschaufel der Radschaufelkranz-Turbine
der 9 und des damit zusammenwirkenden Düsenstrahls.
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BESCHREIBUNG
DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Um
das Verständnis
der Grundlagen der Erfindung zu fördern, wird nun auf das in
den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiel Bezug genommen
und eine spezielle Sprache für
dessen Beschreibung verwendet. Dennoch versteht sich, dass damit
keine Beschränkung
des Umfanges der Erfindung beabsichtigt ist, wobei der Umfang der
Erfindung in den anhängenden
Patentansprüchen
definiert ist.
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In 1 ist
eine Kegelstapelzentrifuge 20 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. Die Zentrifuge 20 enthält als einige
ihrer Hauptkomponenten ein Unterteil 21, ein Glockengehäuse 22,
eine Welle 23, eine Rotornabe 24, einen Rotor 25,
einen Kegelstapel 26, Strahldüsen 27 und 28 und eine
abgewandelte Pelton-Turbine 29. Wie beschrieben und hier
verwendet, enthält
der Rotor 25 eine Kegelstapelbaugruppe.
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2 liefert
eine schematische Draufsicht der Strahldüsen 27 und 28 sowie
der Gleichdruckturbine 29, wobei die Richtung der Strömungsstrahlen 27a und 28a,
die aus den Strahldüsen 27 bzw. 28 austreten, gezeigt
sind. Die Turbine 29 enthält eine Umfangsreihe von achtzehn
Bechern 32, die an einem drehbaren Rad 33 befestigt
sind. Die Strömungsstrahlen 27a und 28a sind
tangential auf das Rad auf entgegengesetzten Seiten des Rades gerichtet
und haben die Mitte der Becher zum Ziel, die sich in die Tangentenzone
auf der entsprechenden Seite des Rades 33 drehen. Das drehbare
Rad 33 ist sicher und starr an der Rotornabe 24 befestigt,
die konzentrisch um die Welle 23 herum angeordnet ist.
Die Rotornabe ist an der Welle 23 mittels eines oberen
Rollenlagers 24 und eines unteren Rollenlagers 35 gelagert
und abgestützt.
Es werden abgedichtete Lager anstelle von abgeschirmten Lagern verwendet,
um einen Lagerleckstrom zu verringern.
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Obwohl
die Turbine 29 auf vielfältige Weise konfiguriert werden
kann, ist die für
die Erfindung bevorzugte Konfiguration eine abgewandelte Halbbecher-Pelton-Turbine.
Die abgewandelte Halbbecherturbine 29 ist in 1 dargestellt,
während
eine herkömmliche
Pelton-Turbine 29a (gespaltene Becherform) in 1A dargestellt
ist. Die Unterschiede zwischen diesen beiden Turbinenoptionen sind
eigentlich auf die Geometrie der Becher 32 bzw. 32a beschränkt. Mit
Ausnahme des Austausches der abgewandelten Halbbecherform der Turbine 29 in 1 durch
die gespaltene Becherform der Turbine 29a in 1A sind
die Konstruktionen der Zentrifugen der 1 und der 1A identisch.
Während
angenommen wird, dass die Konstruktion eines Halbbechers 32a allgemein
bekannt ist, ist die Konfiguration des abgewandelten Halbbechers 32 für diese
Anwendung einzigartig. Aus den 2A und 2B sind
weitere Einzelheiten der Geometrie und der Konstruktion eines jeden
Halbbechers 32 zu entnehmen.
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Die
Kegelstapelbaugruppe oder der Rotor 25 ist hier so definiert,
dass sie bzw. er als Hauptkomponenten eine Grundplatte 38,
einen Gefäßmantel 39 und
einen Kegelstapel 26 enthält. Die Baugruppe aus diesen
Hauptkomponenten ist an der Rotornabe 24 derart befestigt,
dass wenn sich die Rotornabe 24 um die Welle 23 mittels
der Rollenlager 34 und 35 dreht, sich der Rotor 25 dreht.
Die der Rotornabe 24 gegebene Drehbewegung kommt von der
Wirkung der Turbine 29, die von dem Hochdruckstrom aus
den Strahldüsen 27, 28 angetrieben
wird. Wenn die Strömungsstrahlen 27a und 28a auf
die Becher 32 auftreffen, wird jeder entsprechende Becher
angestoßen,
wodurch sich das Rad 33 dreht, um den nächsten nachfolgenden Becher
in Position für
die Stelle, an der die Strömungsstrahlen
tangential auftreffen, zu bringen. Dieser Vorgang tritt auf jeder
Seite des Rades auf zusammenwirkende Art und Weise auf, da die tangentialen
Stellen für
die Strömungsstrahlen 27a und 28a 180° auseinander
sind. Das Rad dreht sich schneller und schneller bis ein konstanter Dreh geschwindigkeitszustand
auf der Grundlage der Eigenschaften der Strömungsstrahlen 27a und 28a und der
Eigenschaften und der Dynamik der Turbine erreicht ist. Da die Turbine
an der Rotornabe 24 befestigt ist, die an der Welle 23 gelagert
ist, dreht sich der Rotor 25 mit einer Geschwindigkeit
in Umdrehungen pro Minute, die der Geschwindigkeit des Rades 33 der
Turbine 29 entspricht.
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Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Turbine 29 hat jeder Becher 32 (die abgewandelte Halbbecherform)
ein ellipsoides Profil und einen 10 bis 15 Grad großen Austrittswinkel
am Rand des Ellipsoides. Eine Vorderansicht eines Bechers 32 ist
in 2 dargestellt. Eine perspektivische Ansicht eines
Bechers 32 ist in 2B dargestellt.
Die aus dem Becher austretende Strömung ist nach unten und weg
von dem sich drehenden Rotor gerichtet, und folglich wird der Tröpfchenauftreffwiderstand
verringert.
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Mit
Ausnahme der Teile in dem Unterteil 21 und unter der Grundplatte 38 ist
der Aufbau der Zentrifuge 20 in bestimmter Hinsicht ähnlich dem
in den US-Patenten Nr. 5,575,912 und 5,637,217 offenbarten Aufbau.
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Genauer
ausgedrückt
ist die äußere Radiallippe 40 des
Glockengehäuses 22 auf
der oberen Oberfläche
des Flansches 41 angeordnet. Die Schnittstelle zwischen
der Radiallippe 40 und dem Flansch 41 ist durch die
Hinzufügung
eines dazwischenliegenden kreisringförmigen O-Ringes 42 aus
Gummi teilweise abgedichtet. Eine bandförmige Klemmschelle 45 wird
verwendet, um die abgedichtete Schnittstelle zu vervollständigen und zu
ergänzen.
Die Klemmschelle 45 ist um die Lippe 40 und den
Flansch 41 herum angeordnet und enthält eine innere ringförmige Klemmschelle 46 und
ein äußeres ringförmiges Band 47.
Wenn das Band 47 festgezogen wird, wird der Innendurchmesser
der Klemmschelle verringert und ziehen die konisch verlaufenden
Seiten des ringförmigen
Kanals 48 die Lippe 40 und den Flansch 41 axial
zusammen zu einer fest abgedichteten Schnittstelle. Durch das Zusammenziehen
der Lippe 40 und des Flansches 41 wird der O-Ring 42 komprimiert.
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Am
oberen Ende des Glockengehäuses 22 ist
eine Kappen-Baugruppe 51 für die Aufnahme
und die Abstützung
des mit einem Außengewinde
versehenen Endes 52 der Welle 23 vorgesehen. Die
Einzelheiten der Welle 23 sind in 3 dargestellt.
Der Adapter 53 ist mit einem Innengewinde versehen und
enthält
einen Flansch 54, der durch den Rand der Öffnung 55 und
gegen diesen paßt.
Die Hülse 56,
der O-Ring 57 und die Kappe 58 vervollständigen die
Baugruppe. Nachdem zuerst das Ende 52 in den Adapter 53 geschraubt
und der O-Ring zusammengebaut wurde, werden das Gehäuse und
die Hülse
durch Absenken in Position gebracht. Die Kappe wird befestigt, um
die Kappenbaugruppe 51 an der Welle 23 und im
Gehäuse 22 zu
sichern, und die bandförmige
Klemmschelle wird zusammengebaut und durch Anziehen in Position
gebracht. Die Kappenbaugruppe 51 sorgt für die axiale
Zentrierung des oberen Endes 52 der Welle 23 und
die Abstützung
und Stabilisierung der Welle 23, um eine glatte und schnelle
Drehung des Rotors 25 zu gestatten.
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Zwischen
dem Glockengehäuse 22 und
dem mit einem Außengewinde
versehenen Ende 52 sind an dem oberen Ende des Rotor 25 eine
Befestigungsmutter 61 und eine Stützbeilagscheibe 62 angeordnet.
Die ringförmige
Beilagscheibe hat eine angepaßte
Form, die der Form des oberen Teiles des Rotormantels 39 entspricht.
Eine für
das vorliegende Ausführungsbeispiel
anstelle eines separaten Bauteiles für die Beilagscheibe 62 in
Betracht gezogene Alternative besteht darin, die Stützbeilagenfunktion
in den Rotormantel durch Herstellen eines kaltgespritzten Mantels
mit einem dicken Abschnitt an dem Ort der Beilagscheibe zu integrieren.
Das obere Ende 63 der Rotornabe 24 wird von der
Welle 23 und dem oberen Lager 34 gelagert und
ist mit einem Außengewinde
versehen. Die Befestigungsmutter 61 ist auf das obere Ende 63 fest
aufgeschraubt und dies zieht die Stützbeilagscheibe 62 und
den Rotormantel 39 zusammen. Das entgegengesetzte (untere)
Ende 64 der Rotornabe 24 ist mit einer Reihe von
axialen Nuten 64a und einer damit alternierenden Reihe
von nach außen
ragenden Keilen 64b (siehe 4 und 5)
versehen. Dieses mit Keilen versehene Ende paßt genau in die zylindrische Öffnung 65,
die in der Grundplatte 38 mittig angeordnet ist. Die Öffnung 65 ist
zu der Nabe 24 und der Welle 23 konzentrisch,
und das Festmachen der Nabe an dem Gehäuse und an der Grundplatte stellt
eine konzentrische Drehung der Kegelstapelbaugruppe um die Welle 23 herum
sicher. Der Sitz des mit Keilen versehenen Endes 64 in
der Öffnung 65 schafft
auch durch die Nuten 64a und die Keile 64b eine
Reihe von beabstandeten Austrittsströmungskanälen 66.
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Eine
radiale Dichtung ist zwischen der inneren Oberfläche 67 des unteren
Randes 68 des Rotormantels 39 und der äußeren ringförmigen Oberfläche 69 der
Grundplatte 38 gebildet. Diese abgedichtete Schnittstelle
wird zum Teil durch die Enge des Sitzes und zum Teil durch die Verwendung
eines kreisringförmigen O-Ringes 70 aus
Gummi festgelegt. Der O-Ring 70 wird
zwischen der inneren Oberfläche 67 und
der äußeren ringförmigen Oberfläche 69 zusammengedrückt.
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Der
Zusammenbau zwischen dem Rotormantel 39 und der Grundplatte 38 in
Verbindung mit dem O-Ring 70 schafft ein abgedichtetes
Gehäuse,
das ein inneres Volumen 73 begrenzt, das den Kegelstapel 26 enthält. Jeder
Kegel 74 des Kegelstapels 26 hat eine zentrale Öffnung 75 und
eine Vielzahl von Einlasslöchern, die
um den Umfang des Kegels angrenzend an die äußere ringförmige Kante 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 dem Flüssigkeitsstrom
nach oben durch die hohle Mitte 78 der Rotornabe 24.
Die Strömung
durch das Innere der Rotornabe tritt durch die Öffnungen 79 aus. Insgesamt
acht im gleichen Abstand angeordnete Öffnungen 79 sind vorgesehen,
siehe 4. Eine Strömungsverteilerplatte 80 ist
mit Radschaufeln versehen und wird dazu verwendet, die aus der Nabe 24 austretende
Strömung
quer über
die Oberfläche
des oberen Kegels 74a zu verteilen. Die Art, in der die
Flüssigkeit (Schmieröl) quer über und
durch die einzelnen Kegel 74 des Kegelstapels 76 strömt, ist
ein Strömungsweg und
ein Strömungsphänomen, das
im Stand der Technik allgemein bekannt ist. Dieser Strömungsweg
und die hohe Drehgeschwindigkeit in Umdrehungen pro Minute der Kegelstapelbaugruppe
ermöglicht
es, dass kleine Rußteilchen,
die in dem Öl
geführt
werden, zentrifugal aus dem Öl
abgeschieden und in der Zentrifuge gehalten werden.
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Ein
wichtiges Merkmal dieses Ausführungsbeispiels
ist die Konstruktion des Unterteils 21, die Verwendung
einer Turbine 29, die Art der Leitung eines Fluids zu den
Strömungsstrahldüsen 27 und 28 und
die Konfiguration der Welle 23, die die gewünschte Konstruktionsübereinstimmung
mit dem Unterteil 21, der Turbine 29 und den Düsen 27 und 28 schafft.
Das Unterteil 21 hat und begrenzt eine Einlaßöffnung 82 und
einen Hauptgang 83. Den Hauptgang 83 schneiden
die Strahldüsendurchgänge 84 und 85 im
rechten Winkel. Der Durchgang 84 wird von dem Befestigungspfosten 86 begrenzt
und schafft einen Fluidverbindungsweg zu der Strahldüse 27.
Auf der entgegengesetzten Seite des Rades 33 und auf der
entgegengesetzten Seite der Grundnabe 87 für den Befestigungspfosten 86 befindet
sich ein zweiter Befestigungspfosten 88, der den Durchgang 85 begrenzt.
Der Durchgang 85 schafft einen Fluidverbindungsweg zu der
Strahldüse 28.
Die Nabe 87 des Unterteiles 21 enthält eine
zylindrische Öffnung 89,
die mit einem Innengewinde versehen ist und die den Hauptdurchgang 83 unter
einem rechten Winkel schneidet. Das Unterteil 90 der Welle 23 ist
mit einem Außengewinde
versehen und durch Eindrehen in die Öffnung 89 gesichert
und eingebaut. Das Unterteil 90 ist hohl und begrenzt den
Durchgang 91, der ein blindes distales Ende 92 und
einen Drosseldurchgang 93 hat. Das distale Ende des Durchganges 83 ist
geschlossen (d.h. blind) ebenso wie das distale Ende des Durchganges 84 und
das distale Ende des Durchganges 85 geschlossen sind.
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Der
Sitz des mit Keilen versehenen Endes 64 der Rotornabe 24 in
der zylindrischen Öffnung 65 stützt die
Rotornabe 24 in der Grundplatte 38 und hält den sicher
zusammengebauten Zustand zwischen der Grundplatte 38, dem
Rotormantel 39 und der Rotornabe 24 aufrecht.
Ein Presssitz oder sogar ein Festsitz zwischen dem Ende 64 und
der Öffnung 65 ist
für die
gewünschte
Abstützung
ausreichend. Der Keilnutensitz zwischen dem Ende 64 und
der Öffnung 65 ist
auch konzipiert, um eine Relativdrehung zwischen der Rotornabe 24 und der
Grundplatte 38 zu verhindern. Der Sitz des Endes 64 in
der Öffnung 65 schafft
Austrittsströmungskanäle 66,
die in den Innenraum 95 des Unterteils 21 münden, der
von der Seitenwand 96 des Unterteils 21 begrenzt wird.
Die Seitenwand 96 begrenzt ferner eine Auslaßöffnung 97,
die das aus dem Rotor 25 durch den Strömungkanal 66 austretende Öl aus dem
Unterteil 21 austreten und seinen Zirkulationsweg zu dem
und durch den entsprechenden Motor oder einem anderen Ausrüstungsgegenstand
fortsetzen läßt. Das
Schmieröl,
das durch die Strahldüsen 27 und 28 verwendet
wird, um die Turbine 29 anzutreiben, sammelt sich auch
in dem Innenraum 95 und vereinigt sich mit dem durch den
Strömungskanal 66 austretenden Öl, und es
ist diese Ölmischung,
die durch die Auslaßöffnung 97 austritt.
Eine Spritzplatte 98 ist an der oberen Endfläche 99 und 100 der
Pfosten 86 bzw. 88 befestigt.
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Für den Betrieb
der Zentrifuge 20, wie sie in 1 dargestellt
ist, tritt eine unter Druck stehende (20-90 PSI) Fluidströmung (Öl) in das
Zentrifugenunterteil 21 über die Einlaßöffnung 82 und
den Hauptgang 83 ein. Drucköl wird den Durchgängen 84 und 85 sowie
dem Durchgang 91 mittels der zylindrischen Öffnung 89 zugeführt. Der
Pfosten 86 begrenzt eine Austrittsöffnung 103, die in
Strömungsverbindung
mit der Strahldüse 27 steht.
Eine ähnliche
Austrittsöffnung 104 wird
von dem Pfosten 88 begrenzt und steht mit der Strahldüse 28 in Strömungsverbindung.
Die Sacklochform der Durchgänge 84 und 85 zwingt
die eintretende Strömung
durch die Öffnungen 103 und 104 nach
außen,
um Strömungsstrahlen 27a und 28a zu
erzeugen, die die Turbine 29 antreiben, die ihrerseits
die Rotornabe 24 und den Rest des Rotors 25 drehantreibt.
Die aus den beiden Strömungsstrahldüsen austretenden
Hochgeschwindigkeitsfluidströme
erzeugen die notwendige hohe Geschwindigkeit in Umdrehungen pro
Minute für
den Rotor 25, um die gewünschte Rußentfernungsrate aus dem Öl, das durch
den Rotor 25 geleitet wird, zu erzielen. Die erforderliche
Geschwindigkeit ist eine Funktion der Außendurchmessergröße des Kegelstapels,
wie zuvor diskutiert.
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Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
hat jede der Strahldüsen 27 und 28 eine
Austrittsöffnung, die
einen Durchmesser von ungefähr
2,46 mm (0,09 Zoll) hat. Jede Düse
hat eine konische Form auf der Innenseite, um einen glatten Übergang,
der zu dem Austrittsöffnungsdurchmesser
führt,
zu schaffen, um einen zusammenhängenden
stabilen Strahl mit minimaler Turbulenzenergie mit maximal möglicher
Geschwindigkeit zu erzeugen. Die Turbine 29 wandelt die
kinetische Energie der Strahlen in Drehmoment um, das der Rotornabe 24 aufgegeben
wird. Wie beschrieben wurde, werden verschiedene Arten und Konzepte
für die
Turbine 29 innerhalb des Umfanges und der Lehre der Erfindung
in Betracht gezogen, einschließlich
einer klassischen Pelton-Turbine, wenn auch ihre Größe miniaturisiert
ist, eine abgewandelte Halbbecherform und eine Radschaufelkranzform
oder "Turgo"-Art. Die abgewandelte
Halbbecherform ist unter diesen Optionen die bevorzugte Wahl. Die
Turbine ist in ihrem Leistungswirkungsgrad optimiert, wenn die Bechergeschwindigkeit
etwas kleiner als eine Hälfte
der Auftreffgeschwindigkeit des Strömungsstrahles ist. Bei einer
idealen Konstruktion "fällt" das Antriebsfluid
von dem Becher mit einer nahe bei Null liegenden Restgeschwindigkeit
herunter und fällt
in den Innenraum 95 des Unterteils und tritt durch die
Austrittsöffnung 97 aus.
Eine Sollgeschwindigkeit von 10.000 Umdrehungen pro Minute mit einem
Strahl von 4,9 Kilopond/Quadratzentimeter (70 PSI), eine Turbine 29 mit
einem Becherflankendurchmesser von 28,96 mm (1,14 Zoll) und einem
Ausgangsdrehmoment von ungefähr
5,6 cm/kg (1 Zoll/Pfund) sind Konstruktionsmerkmale des bevorzugten
Ausführungsbeispiels.
Bei diesen Daten beträgt
der Pumpenpferdestärken-(Parasitär)verlust
an den Motor nur 0,2 PS (weniger als 0,03 Prozent der Motorausgangsleistung für die Größe des für diese
Bedingungen untersuchten Motors).
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Das über den
Durchgang 83 eintretende Öl strömt auch nach oben durch die
zylindrische Öffnung 89 in
den Durchgang 91 der Welle 23. Die Aufwärtsströmung tritt
aus dem Innenraum der Welle 23 über den Drosseldurchgang 93 aus.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
beträgt
der Austrittsöffnungsdurchmesser
für den
Durchgang 93 1,85 mm (0,073 Zoll), wodurch der Strömungsdurchsatz
durch den Rotor 25 auf ungefähr 2300 Kubikzentimeter pro
Minute (0,6 Gallonen pro Minute) begrenzt wird. Im Test wurde festgestellt,
dass es eine hohe Drehmomentswiderstandszacke gibt, wenn die Strömung zwischen
ungefähr
750 Kubikzentimeter pro Minute und 1500 Kubikzentimeter pro Minute
(0,2 und 0,4 Gallonen pro Minute) durch den Rotor hindurch beträgt. Eine
Strömung
von ungefähr
2300 Kubikzentimeter pro Minute (0,6 Gallonen pro Minute) vermeidet dieses
Problem. Ein wichtiger Gesichtspunkt dieses Ausführungsbeispiels ist die Drosselung
der eintretenden Strömung
durch die Verwendung des Durchganges 93, der angrenzend
an das Einlaßende 107 der
Rotornabe 24 angeordnet ist. In der Darstellung von 1 erstreckt
sich die Rotornabe 24 in einer Aufwärtsrichtung vom Unterteil 21 und
der Grundplatte 38 aus zu dem Bereich der Befestigungsmutter 61 an
dem oberen Ende oder der Spitze des Gefäßmantels 39. Da das
hereinkommende Öl
an der Öffnung 82 eintritt
und von dort aus nach innen und oben strömt, ist das untere Ende 107 der
Rotornabe das Einlaßende
für den
Zweck der Bestimmung des Strömungsweges.
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Durch
Anordnen des Drosseldurchganges 93 an dem Einlaßende 107 der
Rotornabe wird das Innere 78 der Rotornabe 24 praktisch
auf Außendruck
gebracht, und dies gestattet die Verwendung von normalen mit tiefen
Rillen versehenen abgedichteten Rollenlagern an den Stellen des
oberen Rollenlagers 34 und des unteren Rollenlagers 35.
Die Verwendung von Rollenlagern dieser Art verringert den Drehwiderstand
dramatisch im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten
Radiallagern (alter Art). Bei höheren
Innendrücken in
dem Inneren 78 der Rotornabe 24 als diejenigen,
die aufgrund der Drosselwirkung bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
vorhanden sind, werden Radiallager benötigt, da sie höhere Drücke aushalten
können. Das
Problem besteht darin, dass Radiallager beträchtliche Drehwiderstandswerte
haben, die die Geschwindigkeit in Umdrehungen pro Minute, die für den Rotor 25 erzielt
werden kann, begrenzen. Der resultierende Rußentfernungswirkungsgrad fällt erheblich
ab, was in einer merklich weniger effizienten Konstruktion und wohl
einer nicht akzeptablen Konstruktion resultiert, wenn Rußsteuerung
das Ziel ist. Durch das Drosseln der Strömung und Verringern des Innendruckes
im Inneren 78 ergibt sich ein Dominoeffekt. Die Möglichkeit,
Rollenlager in der Zentrifugenkonstruktion verwenden zu können, gestattet
höhere
Drehgeschwindigkeiten aufgrund des geringeren Widerstandes, und
folglich können
Geschwindigkeiten im Bereich von 10.000 Umdrehungen pro Minute (und
höher)
mit diesem Ausführungsbeispiel
erreicht werden. Es wurde festgestellt, dass Geschwindigkeiten in
diesem Bereich für
eine wirksame Rußentfernung
notwendig sind.
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Nachdem
das Prozessfluid (Öl)
aus dem Wellendrosseldurchgang 93 ausgetreten ist, bewegt
es sich in der hohlen Mitte oder dem Innenraum 78 der Rotornabe 24 zwischen
der Welle 23 und der Nabe 24 nach oben. In der
Nähe des
oberen Teiles der Nabe 24 befinden sich mehrere Auslaßlöcher, insgesamt
acht bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel.
Das strömende Öl tritt
durch jedes dieser Auslaßlöcher 79 hindurch,
und die Strömung
wird nach oben und um den Kegelstapel herum durch eine Strömungsverteilerplatte
gelenkt, die mit radialen Schaufeln versehen ist, die das Fluid
in der tangentialen Richtung beschleunigen.
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Die
Strömung
wird über
den Kegelstapel durch die vertikal ausgerichteten Kegeleinlaßlöcher verteilt und
strömt
durch die Spalte in dem Kegelstapel radial nach innen in Richtung
auf die Nabe. Der Kegelstapel wird von der Rotornaben-Grundplatte
starr abgestützt.
Wenn die Strömung
den Nabenaußendurchmesser
erreicht hat, geht sie nach unten durch miteinander fluchtende Ausschnitte
an dem Innendurchmesser der Kegel und tritt aus dem Innenvolumen 73 durch
die Strömungskanäle 66 aus.
Als eine Alternative zu dieser Konfiguration kann die Grundplatte 38 eine
einteilige Ausführung
mit Löchern
sein, die durch die Platte hindurch für Strömungsaustrittswege gebohrt
sind. Es ist wichtig, dass die Strömung aus den Strömungskanälen 66 so
nah wie möglich
an der Drehachse austritt, um widerstand/Geschwindigkeitsverringerung
aufgrund des zentrifugalen (Pumpen)-Energieverlustes durch Auswerfen
der Strömung
mit einer hohen tangentialen Geschwindigkeit zu vermeiden, die proportional
mit dem Radius zunimmt. Auch muß die
austretende Strömung
die Kegelstapelbaugruppe auf eine derartige Weise verlassen, dass
sie nicht die Außenfläche der
Grundplatte berührt
und im Ergebnis Energie raubt, indem sie wieder beschleunigt wird
und von dem Außendurchmesser
des Rotorunterteiles mit einer hohen Geschwindigkeit "weggeschleudert" wird. Dieses Ergebnis
wird durch Leiten der austretenden Ölströmung durch den Strömungskanal 66 bis
zu einer Stelle unter der Spritzplatte 98 erreicht, und dies
lenkt den Ölsprühnebel nach
unten und von der sich drehenden Rotornabe 24 weg in Richtung
auf die Ablaßöffnung 97.
Wenn bei einer alternativen Konstruktion die Spritzplatte nicht
verwendet wird, muß das
austretende Öl
von einer Stelle austreten, die niedriger als die niedrigste Stelle
der Grundplatte ist, so dass Öl
nicht wieder an der Oberfläche
des sich drehenden Rotors mitgerissen wird, während es von der Austrittsstelle
aus radial nach außen
fliegt. Wie beschrieben wurde, vermischt sich das "saubere" Prozessfluid dann
mit dem Antriebsfluid und tritt aus dem Gehäuseunterteil 21 über die
Austrittsöffnung 27 durch
die Schwerkraft aus.
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Mit
Bezug auf 6 ist eine alternative Kegelstapelzentrifuge 120 hier
offenbart. Es sollte beachtet werden, dass die Zentrifuge 120 einen
Aufbau hat, der in vielerlei Hinsicht demjenigen der Kegelstapelzentrifuge 20 der 1 ziemlich ähnlich ist.
Die Hauptunterschiede zwischen der Kegelstapelzentrifuge 120 und
der Kegelstapelzentrifuge 20 liegen in den Konstruktionen
und den Beziehungen für
das Unterteil 21, die Welle 23, die zylindrische Öffnung 89 und
den Hauptdurchgang 83. Vergleicht man diese Teile der Zentrifuge 20 mit
den entsprechenden Teilen der Zentrifuge 120, ergeben sich
die folgenden Unterschiede. Bei der in 1 gezeigten
Konstruktion der Zentrifuge 20 steht der Hauptdurchgang 83 in
direkter Strömungsverbindung
mit der Öffnung 89 der
Unterteilnabe 87. Wie dargestellt erstreckt sich die Öffnung 89 nicht
axial durch den Hauptdurchgang 83 sondern ist in Wirklichkeit
eine T-Kreuzung an dieser Stelle. Bei der Konstruktion der 6 besteht keine
Strömungsverbindung
zwischen der zylindrischen Öffnung 121 in
dem Unterteil und dem Hauptgang 122. Stattdessen ist das
untere Ende oder das Unterteil 123 der Welle 124 der
Zentrifuge 120 axial über
das des Unterteils 90 hinaus verlängert, derart, dass sich die
Welle 124 durch den Hauptgang 122 erstreckt und durch
die untere Öffnungsverlängerung 125 der
zylindrischen Öffnung 121 hindurch
austritt. Die Welle 124 ist in 7 als ein
separates Bauteil dargestellt. Diese untere Öffnungsverlängerung 125 schneidet
sich mit dem Hauptgang 122, wie dargestellt ist und ist
axial zu dem oberen Abschnitt der zylindrischen Öffnung 121 ausgerichtet,
die über
dem Hauptgang 122 ist. Die Konstruktion des Unterteils 126 der
Zentrifuge 120 ist in 8 dargestellt.
Das Unterteil 123 der Welle 124 enthält immer
noch eine Durchgang 127, der einen Strömungsweg von der Einlaßöffnung 128 zu
den Drosseldurchgängen 129 und 130 bereitstellt.
Die Turbine 29 ist nun mit 134 numeriert, aber
die Konstruktionen sind grundsätzlich
die gleichen. In 6A ist eine alternative Form
der Turbine mit der gespaltenen Becherkonfiguration als Turbine 134a bezeichnet.
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Man
wird feststellen, dass die Welle 23 einen einzelnen Drosseldurchgang 93 enthält, während die Welle 124 (6)
zwei Drosseldurchgänge 129 und 130 enthält. Der
Grund dafür
beruht auf der Tatsache, dass es bei dem Ausführungsbeispiel der 6 möglich ist,
die hereinkommende Ölströmung an fast
jeder Stelle, die stromaufwärts
von den Durchgängen 129 und 130 ist,
vorzugsweise auf der Außenseite
der Zentrifuge zu drosseln. Als Folge davon müssen die Durchgänge 129 und 130 nicht
als einzige Drosselmittel dienen. In 1 wird das
hereinkommende Öl
auch zum Antreiben der Turbine 29 verwendet, und das Drosseln
der Strömung
auf der Außenseite
der Zentrifuge würde
die Turbinengeschwindigkeit nachteilig beeinflussen. Aus diesem
Grund wird das Drosseln der Strömung
zu dem Rotor 25 durch den Durchgang 93 erzielt.
Es ist leichter gemacht die Drosselfunktion mit einem Durchgang
als mit zwei zu erreichen. Aus diesem Grund ist bei dem Ausführungsbeispiel
der 1 nur ein einzelner Durchgang 93 vorgesehen.
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Da
der Innendurchgang 127 durch die Welle nicht in Strömungsverbindung
mit dem Hauptgang 122 steht, wird die hereinkommende Strömung (Öl) an der
Einlaßöffnung 128 nicht
zum Antreiben der Turbine 134 verwendet. Die Turbine 134 ist
zu der Turbine 29 so gut wie identisch, und der Gewichtsausgleich
der Zentrifuge 120 ist zu der Zentrifuge 20 so
gut wie identisch, außer
wenn es hier beschrieben ist. Um die Turbine 134 mit Hilfe
der Strömungsstrahldüsen 135 und 136 anzutreiben,
wird ein Druckfluid in den Hauptgang 122 über die
Einlaßöffnung 137 eingeführt. Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist das Druckfluid (d.h. das Antriebsfluid) ein Gas. Das Druckgas
folgt dem gleichen Weg wie das Öl
bei der Konfiguration der 1, außer dass
das Druckgas nicht in den Durchgang 127 strömt und als
solches nicht in die Kegelstapelbaugruppe 138 eingeführt wird.
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Damit
das Druckgas zu dem Durchgang 139 im Pfosten 140 und
letztlich zu der Strahldüse 136 strömt, ist
das Unterteil 123 der Welle 124 an der Stelle 141 eingekerbt
oder eingeschnitten, um dem Druckgas einen freien Strömungsweg
um das Unterteil 123 der Welle 124 herum zu gestatten.
Der Durchgang 142 im Pfosten 141 steht in Verbindung
mit dem Durchgang 122 für
die Zufuhr des Druckgases zu der Strahldüse 135. Ein O-Ring 144 ist
zwischen dem Unterteil 123 und der unteren Öffnungsverlängerung 125 angeordnet.
Die Einlaß öffnung 128 ist
mit einem Innengewinde zum Anschluß an die Eingangsleitung versehen,
die das in die Kegelstapelbaugruppe einzuführende Fluid liefert.
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Das
Gas (typischerweise Luft), das zum Antreiben der Turbine 134 in 6 verwendet
wird, muß aus der
Zentrifuge 120 an die Umgebung abgelassen werden. Während eine
Vielfalt von Entlüftungskonstruktionen und
Stellen für
diese Funktion geeignet sind, ist es wichtig, zunächst jeglichen Ölnebel abzuscheiden,
der sich mit der Luft vermischt haben könnte. Zu diesem Zweck ist ein
Coalescer 150 an dem Glockengehäuse 151 angebracht
und um den Auslaß 152 abgedichtet.
Wenn der Sprühnebel
oder das Aerosol aus Luft und Öl
durch den Auslaß 152 austritt,
zieht das Innere des Coalescers 150 das Öl aus der
Luft heraus. Die Luft geht dann an die Umgebung über und das Öl läuft allmählich in
die Zentrifuge zurück.
Das Innere des Coalescers 150 enthält ein Metallsieb oder alternativ
ein gewebtes oder nichtgewebtes synthetisches Sieb, die alle im
Stand der Technik allgemein bekannt sind.
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Verschiedene
Arten oder Konstruktionen der Turbine 29 und der entsprechenden
Becher wurden hier erwähnt,
einschließlich
einer klassischen Pelton-Turbine 29a mit ihrer gespaltenen
Becherkonfiguration für
die einzelnen Becher 32a (1A) und
einer abgewandelten Halbbecherform der Turbine 29 mit ihren
Bechern 32 (1). Beide Arten von Gleichdruckturbine
sind für
die Ausführungsbeispiele
der 1 und der 6 sowie
für die
alternativen Ausführungsbeispiele
der 1A und 6A geeignet.
Die schematische Darstellung der 2 soll eine
geeignete allgemeine Darstellung der Turbine 29 und 29a sein,
obwohl sie als Turbine 29 numeriert ist.
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Bei
der Diskussion der verschiedenen Optionen oder Variationen der Turbine 29 wurde
eine Radschaufelkranz- oder Turgo-Turbine erwähnt. Während die einzelnen Radschaufeln
einer solchen Turbinenart so gut wie auf jedem Durchmesser angeordnet
werden können,
wird der Wirkungsgrad der Betriebsart mit Gasantrieb verbessert,
wenn der Radschaufelkreisdurchmesser über den dargestellten Becherkreisdurch messer
der Turbine 29 hinaus erhöht wird. Die Radschaufelkranzart
von Turbine wird für
gasbetriebene Zentrifugen bevorzugt. Es ist bekannt, dass die optimale
Radschaufelgeschwindigkeit gleich der Hälfte der Strahlgeschwindigkeit
ist, und auf der Grundlage einer gedrosselten Strömung (Schallgeschwindigkeitsstrahl)
wird es bevorzugt, die mit Gas angetriebenen Radschaufeln um einen
größeren Durchmesser
herum anzuordnen.
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Demgemäß zeigen
die 9-11 eine Radschaufelkranzturbine 160,
die durch die Anbringung von einzelnen Radschaufeln 161 an
der äußeren Oberfläche des
im großen
und ganzen zylindrischen Teiles 162a des Rotormantels 162,
der an die untere Kante 163 angrenzt, geschaffen wird.
Jede Radschaufel 161 hat eine gebogene Form mit einer konkaven
Auftrefffläche 164.
Mit dieser Art von Radschaufel wird die Strahldüse 165 unter einem
Winkel im Bereich von 5 bis 20° relativ
zu der Radschaufelmittellinie gerichtet, wobei dies ein Winkel ist,
der im großen
und ganzen mit dem Vorderkantenwinkel der Radschaufel 161 zusammenfällt. Die
Strahldüse 165 liefert
einen Luftstrahl von dem Durchgang 166, der die Radschaufeln
in Drehaufeinanderfolge trifft und somit den Rotor antreibt (dreht),
der auf der Welle gelagert ist.
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Für den Betrieb
der Zentrifuge der 6, 6A und 9 mit
Gasantrieb hat der Gasstrahl Schallgeschwindigkeit (für Drücke über ungefähr 0,9 Kilopond/Quadratzentimeter
g (13 psig). Die optimale Radschaufelgeschwindigkeit (9)
für einen
maximalen kinetischen Energieentzug ist ungefähr 0,4 Mal die Strallgeschwindigkeit,
die bei ungefähr
134 m/s (440 Fuß pro
Sekunde) für
eine Schallgeschwindigkeit von 335 m/s (1100 Fuß pro Sekunde) wäre. Bei
10.000 Umdrehungen pro Minute mit einem Rotor mit einem Durchmesser
von 18,5 cm (7,3 Zoll) beträgt
die Radschaufelgeschwindigkeit (wobei die Schaufeln 161 an
dem in 9 dargestellten Umkreis angeordnet sind) ungefähr 98 m/s
(320 Fuß pro
Sekunde) das immer noch "langsam" relativ zum Optimum
ist.
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Die
Radschaufel(Radschaufelkranz)art von Turbine, die für die Zentrifuge
der 9 verwendet wird, kann mit den Zentrifugen-Ausführungsbeispielen
der 1, 1A, 6 und 6A im
Austausch für
die abgewandelten Halbbecher- und geteilten Becher-Turbinenarten
verwendet werden. Es gibt aber Wirkungsgradunterschiede auf der
Grundlage der Turbinenart die verwendet wird, der Anordnung der
Turbine, des Rotordurchmessers, des Antriebsmediums und der Strahlgeschwindigkeit.
