NO342206B1 - Sentrifuge med en rotor som har horisontal rotasjonsakse - Google Patents

Abstract

En skruesentrifuge som har en rotor med en tønne (2) med en horisontal rotasjonsakse omfatter følgende: - tønnen (2) med en horisontal rotasjonsakse D, en skrue (3) som er innrettet i tønnen og er roterbar ved et hastighetsavvik i forhold til den roterbare tønne, lagerelementer (10,11) ved begge aksielle ender av tønnen (2) for å holde tønnen (2), - fjærelementer (17,18) for fjærende støtte av tønnen (2) på en maskinramme (1 6), i hvert tilfelle er minst to av fjærelementene (17,18) innrettet ved de to aksielle ender av tønnen, og hvor fjærelementene (17,18) er orientert vertikalt eller i hovedsak vertikalt.

Description

Oppfinnelsen vedrører en skruesentrifuge som beskrevet i ingressen av krav 1.

Europeisk patent 0 107 470 B1 og US patent 4 504 262 legger frem dekantertønner (fullt skjermede skruesentrifuger) som blir støttet på en fjærende måte. I dette tilfellet er fjærene i form av heliske fjærer som er innrettet radielt i forhold til rotasjonsaksen. En fjærende støtte blir i hvert tilfelle gjort tilgjengelig mellom lagrenes lagerhus av tønnen, og en støttende ring ved hjelp av gjengede bolter som passerer gjennom de heliske fjærer, med den støttende ring innrettet konsentrisk i forhold til lagerhuset og festet til maskinrammen eller forbundet med den. Dette gjør det mulig å velge driftsrotasjonshastigheter over hovedresonansfrekvensen av systemet. Uttrykt i konstruksjonsbegreper trenger det bare å være en relativt liten klaring mellom lagerhusene og de støttende ringer som omgir dem.

WO 94/07605 fremlegger en liknende konstruksjon som beskrevet i dokumentene anført over, men hvor bare én aksiell ende av tønnen er støttet på en fjærende måte.

En langstrakt sentrifuge med en innretning for å redusere strukturbåren overføring av lyd er fremlagt i DE 4315 694 A1.

Lagre som er egnet for fysisk forholdsvis korte tønner og ikke er støttende, men er konstruert for å være opphengende er fremlagt i DE 26 06 589 A1, DE 31 34 633 A1 og DE 6609 011 U.

Med hensyn til den teknologiske bakgrunn blir også DE 26 32 586 A1, US 2 094 058, US 4640 770 og DE 711 095 C anført.

Sammenliknet med denne kjente teknikk, har oppfinnelsen til formål å sørge for bedre fjærende støtte for tønnen, - eller hele rotoren med tønnen – for en sentrifuge av denne generiske type. I særdeleshet er dette tenkt å være hensiktsmessig for langstrakte konstruksjoner hvor forholdet mellom lengden av rotoren og diameteren av rotoren er større enn 2.

Oppfinnelsen oppnår denne hensikt ved innholdet av krav 1.

Fordelaktige forbedringer er angitt i de avhengige krav.

Ifølge den karakteriserende del av krav 1, har fjærelementene heliske fjærer, og lengdeaksen av de heliske fjærer er innrettet vertikalt eller i hovedsak vertikalt, det vil si at de er innrettet ved en vinkel på 0 grader til 15 grader med vertikalen, fjærelementene virker som kompresjonselementer for fjærende støtte av tønnen på en maskinramme eller et grunnlag i en ikke-radiell retning, og forholdet mellom lengden av rotoren eller av tønnen og diameteren av rotoren eller av tønnen er større enn 2.

Støtten blir helst gjort tilgjengelig ved kombinerte fjær-/dempende elementer eller fjærelementer og dempende elementer som er atskilt fra dem.

Innholdet av krav 1 betyr at tønnen eller hele rotoren med tønnen blir støttet på en fjærende måte uten at det er noen smale åpninger i området for fjærende støtte mellom delene som kan bevege seg i forhold til hverandre, disse åpninger gjør systemet forholdsvis vanskelig å håndtere.

I motsetning til tilstanden med kjent teknikk er det nå mulig uten noen problemer å kjøre tønnen ved en driftsrotasjonshastighet som er betydelig over den fundamentale resonansfrekvens (rotorens naturlige form) til systemet.

Dette fører til dannelse av en sentrifuge med en horisontal rotasjonsakse som har et optimert fjærende lagring av rotoren for slik å produsere en optimert væremåte under drift.

Oppfinnelsen er i særdeleshet hensiktsmessig for langstrakte konstruksjoner hvor forholdet mellom lengden av rotoren eller tønnen og diameteren av rotoren eller tønnen helst er større enn 2, helst større enn 2,5 og i særdeleshet større enn 3.

På grunn av lengden, dannes naturlige bøyningsformer eller bøyningslinjer av rotoren i veldig lange rotorer ved spesifikke frekvenser. Disse frekvenser er generelt noe over de normale driftsrotasjonshastigheter.

Naturlige rotorfrekvenser som kan begrense den mulige driftsrotasjonshastighet blir forskjøvet mot høyere frekvenser ved å frakople rammemassen eller grunnlagsmassen. Dette gjør det mulig å øke betydelig driftsrotasjonshastigheten.

Fordi at i tillegg til fjærkarakteristikker har fjærelementene helst også betydelige dempekarakteristikker eller fordi at dempende elementer er gjort tilgjengelige i tillegg til de støttende fjærelementer, fører dette til evnen til spesifikt å dempe det oscillerende rotorsystem, og dette tilbyr et antall av ytterligere fordeler.

For eksempel blir utslaget ved passering gjennom kritiske rotasjonshastigheter (resonansrotasjonshastighet eller resonansfrekvenser) for eksempel av rotorsystemet i sammenlikning med maskinrammen eller grunnlaget når skruesentrifugen blir startet opp og slått av begrenset til veldig små verdier. Dette hindrer de bevegelige deler fra å treffe de stasjonære deler.

Konstruksjonen ifølge oppfinnelsen betyr at det er mulig å kjøre skruesentrifugen over kritisk ved en veldig høy rotasjonshastighet med hensyn til de første naturlige rotorfrekvenser, som en følge av dette kan driftsrotasjonshastigheten være over første resonansfrekvens av rotoren eller av rotordelene (tønne og skrue).

Videre, siden bare korte avstander trenger å bli dekket, kan åpningene for eksempel mellom tønnen og gjengene på skruen til og med bli redusert i sammenlikning med de tidligere foreslåtte løsninger for overkritisk drift, uten eller med liten dempning.

Fordi åpningene blir redusert gjør dette det også lettere å forsegle dem.

Fjærelementene og de dempende elementer har helst frekvensavhengige, ikke konstante karakteristikker som en følge av dette er det mulig å minimere utslagsbevegelsene, det vil si at avstandene gjennom hvilke rotoren blir bøyet med hensyn til grunnlaget eller maskinrammen ved resonansfrekvenser.

Fordi tønnene er fylt med væske når de roterer under drift, kan denne væske også forårsake at skruesentrifugen oscillerer, i særdeleshet under delvis fylling under oppstart og avslag.

Kombinasjonen av fjær- og demping gjør det videre mulig å sikre at rotoren ikke blir forårsaket å gi energi til utillatelige oscillasjoner utenfra.

Det innrømmes at eksiteringer utenfra generelt skjer bare ved et forholdsvis lavt utslag.

Imidlertid kan de ved uhell sørge for eksitering akkurat ved en resonans av systemet. I tilfellet av et unormalt lett dempet system ville rotoren så utføre uønskede oscillasjoner.

Den valgte plasseringen av fjærelementene direkte på tønnelageret muliggjør videre isotrop demping i de vertikale og de horisontale retninger, som kan bli påvirket ved hensiktsmessig tilpasning av demperen, på en ønsket måte (anisotropisk) også. Isotrop demping er fordelaktig.

Dempingen er en funksjon av rotasjonshastigheten og bevegelsen og blir konstruert slik at et høyt dempingsnivå blir produsert selv ved lave rotasjonshastigheter under drift gjennom de naturlige rotorfrekvenser, mens et forholdsvis lavt dempenivå blir gjort tilgjengelig ved driftsrotasjonshastigheten over resonansfrekvensen. Dette begrenser effektivt utslagene under drift gjennom de naturlige frekvenser.

Dempingen ved resonans skulle være minst 3 % og spesielt gode resultater oppnås med dempinger mellom 10 % og 30 %. Demping blir forstått å bety omformingen av den oscillerende energi til en annen form av energi, for eksempel varme. Energiomformingen fører til at utslagene i området ved resonansfrekvensen blir redusert. Angivelsen av dempingen som prosentdeler skal forstås innenfor betydningen av Lehrs dempingsmål D å bety:

D = d / ω0

hvor

D = k / (2m) og

(svekkingskonstant av omhylnings e-funksjonen)

ω0= (c/m)

ω0:= naturlig frekvens for det udempede system

c := fjærkonstant

I tilfellet av driftsrotasjonshastigheten, fører i motsetning den lave dempingen til lave dynamiske lagerkrefter, som gjør en lang levetid for lager mulig. I denne sammenheng er det fordelaktig for systemet å bli justert slik at resonansfrekvensen blir nådd ved en rotasjonshastighet som er mindre enn 70 % av driftsrotasjonshastigheten, helst mindre enn halve driftsrotasjonshastigheten.

Oppsummert kan ifølge oppfinnelsen en skruesentrifuge, i særdeleshet med et fullstendig hus, bli produsert ved midler, ved hvilke en i særdeleshet høy driftsrotasjonshastighet kan bli gjort bruk av.

Det skal også bli nevnt at det er spesielt fordelaktig at ifølge oppfinnelsen, til tross for denne høye driftsrotasjonshastighet, er en skruesentrifuge skapt som arbeider forholdsvis stille siden den innførte strukturbårne lyd er redusert og er spesielt lav fordi det roterende system ikke sender udempet strukturbåren lyd direkte til et hus eller til en ramme.

Huset av skruesentrifugen har også en særdeles kompakt konstruksjon når skruesentrifugen er konstruert ifølge oppfinnelsen.

Oppfinnelsen vil bli beskrevet mer i detalj i den følgende tekst ved å bruke eksemplariske utførelser og med henvisning til tegningene, i hvilke:

Figur 1 viser en profil av en skjematisk illustrert fullt skjermet skruesentrifuge, Figur 2 viser en riss rotert 90 grader sammenliknet med figur 1 av området av én lagerinnretning av skruesentrifugen vist i figur 1, og

Figur 3 viser et riss, analogt med figur 2 av en ytterligere forbedring av området av en lagerinnretning av en fullt skjermet skruesentrifuge.

Figur 1 viser en fullt skjermet skruesentrifuge med et hus 1 som omgir en roterbar tønne 2 med en horisontal rotasjonsakse D.

En skrue 3 som kan bli rotert ved en avvikende rotasjonshastighet sammenliknet med tønnen 2 er innrettet i tønnen 2.

Som eksempel kan i dette tilfelle et drivapparat med en girboks med girtrinn 4 og 5 bli brukt til å drive, med girbokstrinnet 4 i dette tilfelle drevet via drivbelter 6 og 7 fra en første motor 8 og en andre motor 9.

Tønnen 2 eller hele rotoren, som hele det roterende område av den fullt skjermede skruesentrifuge, som har minst én spindel 19, tønnen 2 og skruen 3, er båret oppe slik at den kan rotere ved hjelp av lagerinnretninger 10,11, som er innrettet ved de to aksielle ender av tønnen 2.

Som eksempel – og fordelaktig - er ett av de to lagerinnretninger 10 i dette tilfelle innrettet omkring spindelen (spindeldelene) 19 mellom de to girbokstrinn 4 og 5, aksielt utenfor den ene aksielle ende av tønnen 2 og den andre lagerinnretning 11 er innrettet aksielt utenfor den andre aksielle ende av tønnen 2.

Lagerinnretningene 10,11 omfatter hver helst to rullelagre eller plane lagre 12 og 13 med lagerhus 14 og 15, som er støttet ved hjelp av fjærelementer 17,18 på en maskinramme 16.

Det er særdeles fordelaktig for ett av lagrene 12 å være i form av et rillekulelager (engelsk: groove ball bearing) og for det andre lager 13 å være i form av et sylindrisk rullelager, som et resultat av dette sørger det sylindriske rullelager for radiell støtte og rillekulelageret sørger for aksiell og radiell støtte.

Fordi de aksielle krefter er lave, er det imidlertid også mulig å benytte ytterligere et sylindrisk rullelager som en fast opplagring istedenfor rillekulelageret, med dette utstyrt med hensiktsmessige kanter.

Ved hver av de to aksielle ender blir rotoren støttet ved hjelp av to av fjærelementene 17,18 på en fjærende måte på maskinrammen 16 eller på et grunnlag. I dette tilfelle sørger fjærelementene for fjærende støtte for tønnen 2 på maskinrammen 16 eller på underlaget i en ikke-radiell retning, som kompresjonselementer.

I den her foretrukne bearbeidelse er de to fjærelementer 17,18 innrettet - aksielt med hensyn til rotasjonsaksen D - i området av lagerinnretningene 10,11. De er helst innrettet aksielt selv på et plan mellom de to lagre 12 og 13 av hver lagerinnretning 10,11.

Ifølge de eksemplariske utførelser vist i figur 2, er i dette tilfelle fjærelementene 17,18 i form av kombinerte fjær- og dempeelementer, som er innrettet vertikalt eller i hovedsak vertikalt (i z-retningen) i forhold til den horisontale rotasjonsakse D (i x-retningen i koordinatsystemet benyttet i figur 1).

Som man kan se fra figur 2 blir dette oppnådd ved de fjær- og dempende elementer innrettet mellom utkraginger 20 og 21 på lagerhusene 14 og 15 og maskinrammen 16. De to utkraginger 20 og 21 strekker seg helst i motsatte retninger fra den ytre omkrets av lagerhusene, pekende bort fra hverandre. I dette tilfelle viser figur 2 en horisontal innretning ved rette vinker med rotasjonsaksen, og figur 3 viser en konfigurasjon ved en liten vinkel med det horisontale (y). Utkragingene 20 og 21 er helst innrettet over den horisontalt innrettede rotasjonsakse av tønnen. De fjær- og dempende elementer 17,18 er helst innrettet ved siden av, langs tønnen slik at deres øvre ende er lokalisert over rotasjonsaksen D av tønnen 2, og deres nedre ende er lokalisert under rotasjonsaksen av tønnen 2 (figur 2). Midtpunktet av fjærene i deres aksielle retning er helst lokalisert ved siden langs lagrene ved en høyde som svarer til høyden av midtpunktet av lagrene.

Fjærelementene 17,18 kan være innrettet vertikalt eller i hovedsak vertikalt i en innretning slik at dette i kraft av det faktum at fjærelementene 17,18 har en fjærstivhet i et flertall av retninger – i den vertikale og i den horisontale retning i figur 2.

Helst blir også kombinerte fjær- og dempende elementer 17,18 brukt.

Kombinerte fjær- og dempende elementer slike som disse er i seg selv kjent. Eksempelvis kan de uttrykt i konstruksjon være gjort tilgjengelige ved å bruke hensiktsmessig konstruerte heliske fjærer som fjærelementer 17,18, som i hvert tilfelle helst er innrettet i en lukket beholder som er fylt med viskøs væske eller viskøs blanding.

Lokaliseringen av fjærelementene 17,18 ved siden av lagerhusene muliggjør at rotoren blir støttet på en fjærende, tilsynelatende isotrop måte i de vertikale og de horisontale retninger.

Videre kan forholdet mellom de to fjærkonstanter bli påvirket på en ønsket måte ved å justere den vertikale og den horisontale fjærkonstant av fjærelementene.

Som vist i figur 1, oppnås dette eksempelvis ved tilpasning av forholdet mellom lengden og diameteren av de heliske fjærer.

Hver heliske fjær er belastet i kompresjon i den vertikale retning. Horisontale rotorbevegelser fører i motsetning til forskyvning i fjæren. I én fordelaktig utførelse er den horisontale fjærstivhet omtrent 30 % til 100 % av den vertikale fjærstivhet.

Bruken av fjærstivhet i alle retninger (i den aksielle retning også) gjør det mulig å benytte kombinerte fjær- og dempeelementer og å installere disse elementene hensiktsmessig, i særdeleshet parallelt eller tilsynelatende parallelt.

I dette tilfelle er den parallelle installasjon i den vertikale retning foretrukket i formen vist i figur 2.

Imidlertid er det også mulig å innrette hvert av fjærelementene 17,18 til en vinkel med den vertikale z (vinkel α med den vertikale z).

En utførelse slik som denne med to fjærer som er i en vinkel med hverandre oppover, men ikke er innrettet radielt er vist i figur 3. Det ville også være mulig for vinkelen α å være innrettet i den motsatte form i hvert tilfelle (ikke illustrert).

Vinkelen α mellom lengdeaksen av fjærelementene 17,18, som er i form av heliske fjærer, i forhold til den vertikale z i dette tilfelle, er helst i hvert tilfelle mellom 0 grader og et maksimum på 30 grader, i særdeleshet helst mellom 0 grader og 15 grader.

Den vertikale innretting fører til fordelen av at beholderne med den viskøse blanding ikke trenger være spesielt forseglet, noesom kan være nødvendig når – som er vist i figur 3 – en vertikal innretting ikke er valgt.

Siden lagerblokkene er støttet av fjærelementene slik at de kan vippe, må tønnelagrene mellom lagerblokken og tønnen også være i stand til å oppta vippende bevegelser.

Dette oppnås ved et arrangement av de to lagre 12 og 13 atskilt ved en viss avstand i lagerblokken. Avstanden mellom lagrene 12 og 13 blir helst konstruert slik at den svarer til minst halve den indre lagerdiameter.

I tilfellet av et installert lager gjelder dette for det støttende grunnlag.

Oppfinnelsen er egnet for å gjøre tilgjengelig innretninger for faste lagre / løse lagre, for installerte lagre, for flytende lagre, for torads lagre, for rullelagre og for plane lagre av forskjellige typer.

Et fast lager- /løst lagerarrangement er særdeles fordelaktig.

Det faste lager- /løse lagerarrangement muliggjør forholdsvis enkle sammenstillinger og krever ikke noen justering av installasjonen.

Tønnen 1 blir helst drevet via belter direkte til tønnen 2 som er båret oppe på en fjærende måte. Hensiktsmessig justering av fjærstivhetene av fjærelementene 17,18 betyr av en mulig endring i akselkreftene forårsaket av beltedrivverket (for eksempel en reduksjon i forspenningskraften forårsaket av sentrifugalkreftene i det dreiende område) ikke ville føre til noen uakseptable driftstilstander.

Motorene 8 og 9 kan også bli koplet fra maskinrammen. Det er også mulig å kople motorene fra maskinrammen, i særdeleshet i tilfellet av pidestallagerutgaver.

Det er særdeles fordelaktig å bruke et flertall av motorer 8 og 9 som er innrettet på en felles plate.

Å huse alle komponentene i eller på et felles hus muliggjør at konstruksjonen blir i form av en enhet klar for installasjon, som blir levert komplett testet fra fabrikk.

Installasjonen ved kundens lokalitet blir da begrenset til kabling og tilkopling av rørledninger.

Ifølge figur 1 blir fjærelementene 17,18 (vist skjematisk) innrettet romlig/fysisk atskilt fra dempeelementene 22. I dette tilfelle kunne fjærelementene 17,18 enda en gang være heliske fjærer, i motsetning kunne hydrauliske eller pneumatiske dempere, muligens av en styrbar type bli brukt for demping.

Referansesymboler:

1 Hus

2 Tønne

D Rotasjonsakse

3 Skrue

4, 5 Girbokstrinn

6, 7 Beltedrivverk

8, 9 Motor

10, 11 Lagerinnretninger 12, 13 Rulle- eller plane lagre 14, 15 Lagerhus

16 Maskinramme

17, 18 Fjærelementer

19 Spindel

20, 21 Utkraginger

23 Dempeelementer

Z Vertikal

X Aksiell

Y Horisontal