WO2014023592A2 - FREISTRAHLZENTRIFUGE MIT EINEM ROTOR MIT WENIGSTENS EINER RÜCKSTOßDÜSE - Google Patents

FREISTRAHLZENTRIFUGE MIT EINEM ROTOR MIT WENIGSTENS EINER RÜCKSTOßDÜSE Download PDF

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WO2014023592A2
WO2014023592A2 PCT/EP2013/065871 EP2013065871W WO2014023592A2 WO 2014023592 A2 WO2014023592 A2 WO 2014023592A2 EP 2013065871 W EP2013065871 W EP 2013065871W WO 2014023592 A2 WO2014023592 A2 WO 2014023592A2
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drive fluid
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Helmut Breuer
Stephan Kochmann
Holger Schwarz
Uwe Stosch
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Hengst Gmbh & Co. Kg
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    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B9/00—Drives specially designed for centrifuges; Arrangement or disposition of transmission gearing; Suspending or balancing rotary bowls
    • B04B9/06—Fluid drive
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B5/00—Other centrifuges
    • B04B5/005—Centrifugal separators or filters for fluid circulation systems, e.g. for lubricant oil circulation systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B9/00—Drives specially designed for centrifuges; Arrangement or disposition of transmission gearing; Suspending or balancing rotary bowls
    • B04B9/10—Control of the drive; Speed regulating
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01M—LUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
    • F01M13/00—Crankcase ventilating or breathing
    • F01M13/04—Crankcase ventilating or breathing having means for purifying air before leaving crankcase, e.g. removing oil
    • F01M2013/0422—Separating oil and gas with a centrifuge device

Definitions

  • Free-jet centrifuge with a rotor with at least one recoil nozzle
  • the present invention relates to a free-jet centrifuge with a rotatably mounted rotor, the rotor having at least one recoil nozzle from which a pressurized drive fluid is ejected, and wherein the rotor has at least one at least partially extending in the radial direction of the rotor feed channel through which the recoil nozzle the drive fluid can be fed, and with at least one a passage cross section for the drive fluid to the recoil nozzle or a thrust nozzle bypassing the control area for the drive fluid adjusting control element.
  • a free-jet centrifuge of the type mentioned is known from DE 10 2008 013 465 A1.
  • a centrifuge housing which is adjustable by the driving fluid according to its pressure and which serves primarily to switch an air flow to assist the fluid discharge from the housing after the fluid has exited the rotor and as an additional function, it is possible to adjust a passage cross-section for the drive fluid to the recoil nozzle or a bypass cross section for the drive fluid bypassing the recoil nozzle.
  • a disadvantage is considered in this known centrifuge that it does not meet the necessary requirements, because the pressure-dependent Abregelung is insufficient.
  • the technical complexity is relatively high, which has a cost-increasing effect in the production.
  • a separator for separating oil mist from the crankcase ventilation gas of an internal combustion engine is known, with a gas cleaning space in which a rotatably mounted centrifugal rotor is arranged in the form of a stack of plates.
  • a rotary drive is arranged in a separate from the gas cleaning space drive space and by at least one be charged with pressurized lubricating oil of the internal combustion engine recoil formed nozzle.
  • the rotary drive In order to prevent damage to the centrifugal rotor due to excessive speeds, the rotary drive must be designed so that the maximum permissible speed is not exceeded at maximum lubricant oil pressure.
  • the power of the rotary drive is undesirably reduced at lower pressures, in particular when prevailing in normal operation of the internal combustion engine lubricating oil pressure, which affects the efficiency of the separator.
  • DE 103 23 261 A1 shows a centrifugal oil separator for the crankcase ventilation gas of an internal combustion engine, having a rotor with a drive shaft, via a mechanical coupling with a driven by a crankshaft of the internal combustion engine gearbox or with a hydraulic drive, in a fluid line of the internal combustion engine is integrated. connected is. It can be provided between the drive shaft on the one hand and the transmission or the hydraulic drive on the other hand, a controllable clutch for controlling the rotational speed of the rotor of the centrifugal oil separator.
  • a disadvantage here is the high technical effort for the drive of the rotor, especially when using a controllable clutch, viewed, resulting in correspondingly high production costs.
  • the object is achieved according to the invention with a free-jet centrifuge of the type mentioned, which is characterized in that the control element is arranged in the rotor and adjustable by a centrifugal force generated upon rotation of the rotor against a restoring force.
  • the rotation of the rotor and the centrifugal force caused thereby, which acts on the control element are advantageously used for the adjustment of the control element and thus for the change of the drive power of the at least one recoil nozzle.
  • the control element can be designed to be technically simple and requires in particular no complex, actively actuated elements.
  • the rotary drive can be easily configured so that even at relatively low pressure of the drive fluid, a relatively high, as close as possible to the maximum permissible speed operating speed of the rotor is achieved, which is favorable for the efficiency of the centrifuge.
  • control element is arranged in a substantially radially extending part of the feed channel and in its position within the feed channel, the passage cross-section for the drive fluid to the recoil nozzle or reducing the thrust nozzle immediate Abêtquerrough for the drive fluid by increasing in the Rotation of the rotor resulting centrifugal force is adjustable against the restoring force.
  • the arrangement of the control element in the feed itself no additional space for the accommodation of the control element is required, which allows a space-saving design.
  • a nozzle channel of the recoil nozzle emanating from an inner periphery of the feed channel at or near its radially outer end and that the control element arranged in the feed and supported at the radially outer end, by is the centrifugal force generated upon rotation of the rotor compressible spring whose outer diameter corresponds to the inner diameter of the feed channel minus a sufficient play of movement.
  • the coil spring simultaneously forms the control element and the restoring force generating element.
  • the adjacent turns of the spring approach each other, whereby a passage cross-section for the drive fluid from the feed channel, that is from the interior of the coil spring is reduced in the nozzle channel.
  • the control characteristic of the control element can be adjusted appropriately by suitable selection of the spring constant of the coil spring. To be able to influence the control characteristic of the control element to a greater extent in the free-jet centrifuge described last, it is proposed that a weight body which is movable in the longitudinal direction and permeable to the drive fluid is arranged at the radially inner end of the helical spring.
  • the force acting on the coil spring centrifugal force can be increased, which allows the use of a stronger and thus less sensitive coil spring.
  • the control characteristic of the control element can be additionally influenced in the desired manner.
  • the weight body is a cylindrical sleeve, whose outer diameter corresponds to the inner diameter of the feed channel minus a sufficient play of movement.
  • the weight body can here, like the coil spring, be accommodated in this without changing the feed channel.
  • the reduction of the free cross section of the feed channel in the region of the base body does not interfere with a sufficiently large remaining free inner diameter of the sleeve. If necessary, it is also possible to form the feed channel in the region in which moves in the operation of the centrifuge of the weight body, with a larger cross section, to allow a larger free inner cross section of the sleeve.
  • the helical spring has at least one section with a reduced turn pitch in its longitudinal direction.
  • the mass of the spring per unit length is increased so that increased centrifugal force is achieved for a given spring length and rotor speed.
  • the coil spring may have at least one section with an increased winding pitch, which provides a consistently large guide length of the spring in the feed channel, or simply be shortened.
  • a preferred embodiment provides that a section with reduced winding pitch of the coil spring is located in the longitudinal center thereof. This is the spring symmetrical and it does not matter in which orientation it is installed in the feed channel, which avoids mounting errors.
  • each section with reduced winding pitch of the helical spring lies at its ends.
  • the spring is symmetrical and their installation direction is arbitrary. It should be noted here that the radially outer portion with reduced winding pitch of the coil spring in its relaxed state does not already cover the nozzle channel. Its branch from the supply channel should therefore be expediently located at a distance from the radially outer end of the helical spring, which is greater than the length of the section with reduced winding pitch.
  • a further embodiment of the free-jet centrifuge according to the invention provides that the coil spring has a spring constant and, where appropriate, the weight body has a mass which is / are such that the turns of the helical spring come into abutment only at the maximum permissible rotational speed of the rotor. This ensures that when it is technically necessary, the drive power of the recoil nozzle or recoil nozzles is very fast completely or at least almost completely off, because in abutting state of the turns of the coil spring virtually no or very little drive fluid from the feed channel in can flow the nozzle channel.
  • the coil spring is preferably a spring made of spring steel to ensure a permanently reliable and safe function.
  • a spring is insensitive to high temperatures and to chemical influences of the drive fluids commonly used in practice. In less demanding conditions, especially at lower temperatures, a plastic spring can be used.
  • the free-jet centrifuge according to the invention is preferably designed as a lubricating oil centrifuge or as a centrifugal separator for the de-oiling of, in particular, crankcase ventilation gases. More preferably, an application of the free-jet centrifuge according to the invention to internal combustion engines of motor vehicles, in particular of passenger cars and trucks, provided. Further possible application examples are heating and block power plants, agricultural and construction machinery (off-road applications) and railway vehicles.
  • FIG. 4 the drive part of the free-jet centrifuge from FIG. 1 in three different operating states, in each case in longitudinal section,
  • FIG. 5 shows the free-jet centrifuge with rotor in a second embodiment, in a longitudinal section
  • FIG. 6 shows the detail VI of Figure 5, in an enlarged view.
  • Figure 1 of the drawing shows a complete open-jet centrifuge 1 in a longitudinal section, in which case the centrifuge 1 is designed, for example, for cleaning the lubricating oil of an internal combustion engine.
  • the free-jet centrifuge 1 has a housing 10 which is closed on the upper side by a detachable lid 1 1.
  • a rotor 2 is rotatably mounted about a rotation axis 26.
  • An upper part of the rotor 2 is formed by a dirt trap part 25.
  • a drive part 20 is used to drive the rotor 2.
  • the drive part 20 has two recoil nozzles 24, of which only the right recoil nozzle 24 is visible in the section according to FIG. From a central channel 21 of the two recoil nozzles 24 by a respective feed channel 22 and nozzle channel 23, a drive fluid, for example, under pressure lubricating oil of an associated internal combustion engine, can be fed.
  • the feed channel 22 extends at least partially in the radial direction or in a direction having a radial component, here obliquely outwards and downwards.
  • the nozzle channel 23 and the recoil nozzle 24 run approximately at right angles to the feed channel 22 in a substantially tangential direction.
  • the rotor 2 is set in rapid rotation, in practice at a speed of, for example, up to about 10,000 l / min.
  • control elements 3 are assigned.
  • the control elements 3 are designed here in the form of a respective helical spring 30, which are arranged within the respective feed channel 22.
  • the outer diameter of the coil spring 30 is selected so that the coil spring as close as possible to the inner surface of the feed channel 22, but has sufficient play in the longitudinal direction.
  • the radially outer end of the helical spring 30 is supported on the radially outer, closed end of the feed channel 22 in the radial direction.
  • a weight body 31 is arranged in the form of a cylindrical sleeve which, like the helical spring 30 in the axial direction of the feed channel 22 in this direction in the longitudinal direction is movable. After radially inward, the two weight bodies 31 are limited by a stop 32 in their movement.
  • the stop 32 is formed here by a coaxial with the central channel 21 extending sleeve, the lower edge protrudes slightly into the cross section of the feed channels 22.
  • each supply channel 22 is near the radially outer end of the nozzle channel 23 at right angles, at the outer end of each of the recoil nozzles 24 is arranged.
  • the rotor 2 of the free-jet centrifuge 1 stands still, so that now the coil springs 30 press the respective associated weight body 31 in the radial direction inwardly against the stop 32.
  • FIG. 3 a second operating state is shown in the same representation as in FIG. 2, in which the drive part 20 has already reached a certain rotational speed.
  • This rotation of the drive part 20 causes the helical spring 30 to be compressed radially outward as a result of the resulting centrifugal force, in each case assisted by the weight body 31.
  • the individual turns of the coil springs 30 are brought in the axial direction of the feed channel 22 seen at a smaller distance from each other. This reduces the free passage cross-section for the drive fluid from the feed channel 22 into the respectively associated nozzle channel 23, since the free passage cross-section is determined by the spacing of the turns of the coil springs 30 from each other.
  • FIG. 4 again in the same representation as in FIGS. 2 and 3, an operating state is shown which occurs when the drive part 20 (and the rotor 2) have reached a maximum permissible rotational speed. Due to the now even greater centrifugal force, the two coil springs 30 of the control elements 3, supported by the force of the weight body 31, so far compressed that the individual turns of the coil springs 30 abut against each other. In this way, the inflow of drive fluid from the feed channel 22 to the nozzle channel 23 practically closed off. The drive power of the drive member 20 is thus turned off very quickly and effectively or at least greatly reduced, which ensures that the drive member 20 and the rotor 2 certainly not reach an unacceptably high speed.
  • FIG. 5 A second embodiment of the free-jet centrifuge 1 is shown in Figures 5 and 6 of the drawing, in Figure 5 complete and in Figure 6, the enlarged detail VI of Figure 5.
  • the coil spring 30 seen in its longitudinal direction at least a portion 30 'with a reduced turn pitch.
  • the mass of the coil spring 30 per unit length is increased, so that at a given spring length and rotor speed increased centrifugal force and thus a changed control characteristics is achieved.
  • the section 30 'with reduced winding pitch of the coil spring 30 is here in the longitudinal center thereof.
  • the spring 30 is symmetrical, so that it is arbitrary in which orientation it is installed in the feed channel 22, which avoids mounting errors.
  • the turn pitch can be reduced so far in the sections 30 ', 30 "that the adjacent turns of the coil spring 30 abut each other even in their relaxed state.
  • a separate weight body 31, as provided in the first embodiment does not exist; its function is taken over by the section (s) 30 ', 30 "of reduced winding pitch of the helical spring 30.
  • FIGS. 5 and 6 the free jet centrifuge 1 is shown in an operating state with the rotor 2 at a standstill, with no centrifugal force occurring and therefore the helical springs 30 in the feed ducts 22 assume their relaxed state with maximum length and maximum winding spacing.
  • the structure and function of the free-jet centrifuge 1 according to the second embodiment correspond to those of the first exemplary embodiment according to FIGS. 1 to 4, to the description of which reference is made.
  • the invention can be used on virtually any free-jet centrifuges, including one-piece rotors or plate stack rotors.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Freistrahlzentrifuge (1) mit einem drehbar gelagerten Rotor (2), wobei der Rotor (2) wenigstens eine Rückstoßdüse (24) aufweist, aus der ein unter Druck stehendes Antriebsfluid ausstoßbar ist,und wobei der Rotor (2) wenigstens einen zumindest teilweise in Radialrichtung des Rotors (2) verlaufenden Zuführkanal (22) aufweist, durch den der Rückstoßdüse (24) das Antriebsfluid zuführbar ist, und mit wenigstens einem einen Durchlassquerschnitt für das Antriebsfluid zur Rückstoßdüse (24) oder einen die Rückstoßdüse (24) umgehenden Absteuerquerschnitt für das Antriebsfluid verstellenden Regelelement (3). Die Freistrahlzentrifuge (1) gemäß Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Regelelement (3) im Rotor (2) angeordnet und durch eine bei Drehung des Rotors (2) entstehende Fliehkraft gegen eine Rückstellkraft verstellbar ist.

Description

Beschreibung:
Freistrahlzentrifuge mit einem Rotor mit wenigstens einer Rückstoßdüse
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Freistrahlzentrifuge mit einem drehbar gelagerten Rotor, wobei der Rotor wenigstens eine Rückstoßdüse aufweist, aus der ein unter Druck stehendes Antriebsfluid ausstoßbar ist, und wobei der Rotor wenigstens einen zumindest teilweise in Radialrichtung des Rotors verlaufenden Zuführkanal aufweist, durch den der Rückstoßdüse das Antriebsfluid zuführbar ist, und mit wenigstens einem einen Durchlassquerschnitt für das Antriebsfluid zur Rückstoßdüse oder einen die Rückstoßdüse umgehenden Absteuerquerschnitt für das Antriebsfluid verstellenden Regelelement.
Eine Freistrahlzentrifuge der eingangs genannten Art ist aus der DE 10 2008 013 465 A1 bekannt. Bei dieser zur Reinigung von Schmieröl dienenden Zentrifuge ist in einem Zentrifugengehäuse ein durch das Antriebsfluid abhängig von dessen Druck verstellbares Ventil angeordnet, das in erster Linie dem Schalten eines Luftstroms zum Unterstützen der Fluidableitung aus dem Gehäuse nach dem Austreten des Fluids aus dem Rotor dient und das als zusätzliche Funktion einen Durchlassquerschnitt für das Antriebsfluid zur Rückstoßdüse oder einen die Rückstoßdüse umgehenden Absteuerquerschnitt für das Antriebsfluid verstellen kann. Als nachteilig wird bei dieser bekannten Zentrifuge angesehen, dass sie die notwendigen Anforderungen nicht erfüllt, weil die druckabhängige Abregelung unzureichend ist. Zudem ist der technische Aufwand relativ hoch, was sich kostenerhöhend bei der Herstellung auswirkt.
Aus der DE 10 2007 054 922 A1 ist ein Abscheider zum Abscheiden von Ölnebel aus dem Kurbelgehäuseentlüftungsgas einer Brennkraftmaschine bekannt, mit einem Gasreinigungsraum, in dem ein drehbar gelagerter Zentrifugalrotor in Form eines Tellerstapels angeordnet ist. Ein Drehantrieb ist in einem von dem Gasreinigungsraum getrennten Antriebsraum angeordnet und durch mindestens eine mit unter Druck stehendem Schmieröl der Brennkraftmaschine beschickbare Rückstoß- düse gebildet. Um hier Schäden am Zentrifugal rotor durch zu hohe Drehzahlen zu vermeiden, muss der Drehantrieb so ausgelegt sein, dass bei maximalem Schmieröldruck die höchste zulässige Drehzahl nicht überschritten wird. Dadurch wird jedoch bei niedrigeren Drücken, insbesondere beim im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine herrschenden Schmieröldruck, die Leistung des Drehantriebes unerwünscht vermindert, was den Wirkungsgrad des Abscheiders beeinträchtigt.
Die DE 103 23 261 A1 zeigt einen Zentrifugal-Ölabscheider für das Kurbelgehäuseentlüftungsgas einer Brennkraftmaschine, mit einem Rotor mit einer Antriebswelle, die über eine mechanische Kopplung mit einem von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetriebenen Getriebe oder mit einem hydraulischen Antrieb, der in eine Fluidleitung der Brennkraftmaschine integriert ist. verbunden ist. Dabei kann zwischen der Antriebswelle einerseits und dem Getriebe oder dem hydraulischen Antrieb andererseits eine regelbare Kupplung zur Steuerung der Drehzahl des Rotors des Zentrifugal-Ölabscheiders vorgesehen sein. Als nachteilig wird hier der hohe technische Aufwand für den Antrieb des Rotors, insbesondere bei Verwendung einer regelbaren Kupplung, angesehen, was zu entsprechend hohen Herstellungskosten führt.
Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Freistrahlzentrifuge der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der mit technisch relativ einfachen und zuverlässigen Mitteln eine hohe Sicherheit gegen zu hohe, schädliche Drehzahlen des Rotors erreicht wird, wobei gleichzeitig ein hoher Wirkungsgrad der Freistrahlzentrifuge gewährleistet ist.
Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit einer Freistrahlzentrifuge der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Regelelement im Rotor angeordnet und durch eine bei Drehung des Rotors entstehende Fliehkraft gegen eine Rückstellkraft verstellbar ist.
Bei der erfindungsgemäßen Freistrahlzentrifuge wird vorteilhaft unmittelbar die Drehung des Rotors und die dadurch hervorgerufene, auf das Regelelement wirkende Fliehkraft für die Verstellung des Regelelements und damit für die Veränderung der Antriebsleistung der mindestens einen Rückstoßdüse genutzt. Bevor der Rotor eine zu hohe und damit schädliche Drehzahl erreicht, wird durch das Regelelement entweder der Strömungsquerschnitt für das Antriebsfluid zu der Rückstoßdüse hinrei- chend verkleinert oder der Strömungsquerschnitt für das Antriebsfluid durch einen die Rückstoßdüse umgehenden Absteuerquerschnitt hinreichend vergrößert. Dabei kann das Regelelement technisch einfach ausgeführt sein und benötigt insbesondere keine aufwändigen, aktiv betätigten Elemente. Auch bei einem hohen Druck des Antriebsfluids, der ansonsten zu einer Überdrehzahl des Rotors führen würde, bleibt die Rotordrehzahl in einem unschädlichen Bereich. Gleichzeitig kann der Drehantrieb problemlos so ausgelegt werden, dass schon bei relativ niedrigem Druck des Antriebsfluids eine relativ hohe, möglichst nah an der maximal zulässigen Drehzahl liegende Betriebsdrehzahl des Rotors erreicht wird, was für den Wirkungsgrad der Zentrifuge günstig ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Regelelement in einem im Wesentlichen radial verlaufenden Teil des Zuführkanal angeordnet und in seiner Lage innerhalb des Zuführkanals den Durchlassquerschnitt für das Antriebsfluid zur Rückstoßdüse verkleinernd oder den die Rückstoßdüse umgehenden Absteuerquerschnitt für das Antriebsfluid vergrößernd durch die bei der Drehung des Rotors entstehende Fliehkraft gegen die Rückstellkraft verstellbar ist. Durch die Anordnung des Regelelements im Zuführkanal selbst wird kein zusätzlicher Bauraum für die Unterbringung des Regelelements benötigt, was eine platzsparende Bauweise erlaubt.
In einer konstruktiv besonders einfachen und doch sehr funktionalen Ausgestaltung der Freistrahlzentrifuge ist vorgesehen, dass ein Düsenkanal der Rückstoßdüse von einem Innenumfang des Zuführkanals an oder nahe dessen radial äußerem Ende ausgeht und dass das Regelelement eine im Zuführkanal angeordnete und an dessen radial äußerem Ende abgestützte, durch die bei Drehung des Rotors entstehende Fliehkraft zusammendrückbare Schraubenfeder ist, deren Außendurchmesser dem Innendurchmesser des Zuführkanals abzüglich eines ausreichenden Bewegungsspiels entspricht. In dieser Ausgestaltung bildet die Schraubenfeder gleichzeitig das Regelelement und das die Rückstellkraft erzeugende Element. Beim Zusammendrücken der Schraubenfeder infolge der mit zunehmender Drehzahl steigenden Zentrifugalkraft nähern sich die einander benachbarten Windungen der Feder aneinander an, wodurch ein Durchlassquerschnitt für das Antriebsfluid aus dem Zuführkanal, das heißt aus dem Inneren der Schraubenfeder, in den Düsenkanal verkleinert wird. Die Regelcharakteristik des Regelelements kann hier durch geeignete Auswahl der Federkonstante der Schraubenfeder passend eingestellt werden. Um bei der zuletzt beschriebenen Freistrahlzentrifuge die Regelcharakteristik des Regelelements in einem größeren Umfang beeinflussen zu können, wird vorgeschlagen, dass am radial inneren Ende der Schraubenfeder ein im Zuführkanal in dessen Längsrichtung bewegbarer, für das Antriebsfluid durchlässiger Gewichtskörper angeordnet ist. Mit dem Gewichtskörper kann die auf die Schraubenfeder wirkende Zentrifugalkraft vergrößert werden, was den Einsatz einer stärkeren und damit weniger empfindlichen Schraubenfeder ermöglicht. Zudem kann durch geeignete Wahl der Masse des Gewichtskörpers die Regelcharakteristik des Regelelements in gewünschter Weise zusätzlich beeinflusst werden.
Bevorzugt ist der Gewichtskörper eine zylindrische Hülse, deren Außendurchmesser dem Innendurchmesser des Zuführkanals abzüglich eines ausreichenden Bewegungsspiels entspricht. Der Gewichtskörper kann hier, wie die Schraubenfeder, ohne Veränderung des Zuführkanals in diesem untergebracht werden. Die Verminderung des freien Querschnitts des Zuführkanals im Bereich des Grundkörpers wirkt sich bei ausreichend großem verbleibendem freiem Innendurchmesser der Hülse nicht störend aus. Bei Bedarf besteht auch die Möglichkeit, den Zuführkanal in dem Bereich, in dem sich im Betrieb der Zentrifuge der Gewichtskörper bewegt, mit einem größeren Querschnitt auszubilden, um einen größeren freien inneren Querschnitt der Hülse zu ermöglichen.
Um eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Regelcharakteristik des Regelelementes in Form der Schraubenfeder zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass die Schraubenfeder in ihrer Längsrichtung gesehen mindestens einen Abschnitt mit einer verminderten Windungssteigung hat. In dem Abschnitt mit verminderter Windungssteigung ist die Masse der Feder pro Längeneinheit vergrößert, sodass bei vorgegebener Federlänge und Rotordrehzahl eine vergrößerte Fliehkraft erreicht wird. Wenn alternativ eine Verkleinerung der Fliehkraft bewirkt werden soll, kann die Schraubenfeder mindestens einen Abschnitt mit einer vergrößerten Windungssteigung haben, was eine gleichbleibend große Führungslänge der Feder im Zuführkanal bietet, oder einfach verkürzt werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass ein Abschnitt mit verminderter Windungssteigung der Schraubenfeder in deren Längsmitte liegt. Dadurch ist die Feder symmetrisch und es spielt keine Rolle, in welcher Ausrichtung sie in den Zuführkanal eingebaut wird, was Montagefehler vermeidet.
Es besteht alternativ oder zusätzlich die Möglichkeit, dass je ein Abschnitt mit verminderter Windungssteigung der Schraubenfeder an deren Enden liegt. Auch hier ist die Feder symmetrisch und ihre Einbaurichtung ist beliebig. Zu beachten ist hier, dass der radial äußere Abschnitt mit verminderter Windungssteigung der Schraubenfeder in deren entspanntem Zustand nicht schon den Düsenkanal verdeckt. Dessen Abzweig vom Zuführkanal sollte hier daher zweckmäßig in einem Abstand von dem radial äußeren Ende der Schraubenfeder liegen, der größer ist als die Länge des Abschnitts mit verminderter Windungssteigung.
Eine weitere Ausgestaltung der Freistrahlzentrifuge nach der Erfindung sieht vor, dass die Schraubenfeder eine Federkonstante hat und ggf. der Gewichtskörper eine Masse hat, die so bemessen ist/sind, dass erst bei maximal zulässiger Drehzahl des Rotors die Windungen der Schraubenfeder in Anlage aneinander gelangen. Damit wird gewährleistet, dass dann, wenn es technisch notwendig ist, die Antriebsleistung der Rückstoßdüse oder Rückstoßdüsen sehr schnell vollständig oder zumindest fast vollständig abgeschaltet wird, weil im aneinander anliegenden Zustand der Windungen der Schraubenfeder praktisch kein oder nur noch sehr wenig Antriebsfluid aus dem Zuführkanal in den Düsenkanal strömen kann.
Insbesondere zur Gewährleistung einer zuverlässigen Funktion und zur Sicherung der Lage des Regelelements im Zuführkanal ist vorgesehen, dass ein den Bewegungsweg des Regelelements oder des Gewichtskörpers im Zuführkanal in Radialrichtung des Rotors nach innen begrenzender Anschlag vorgesehen ist. Unabhängig von der Einbaulage der Freistrahlzentrifuge und ihres Rotors wird so immer gewährleistet, dass das Regelelement und ggf. der Gewichtskörper im Zuführkanal gehalten wird/werden.
Die Schraubenfeder ist vorzugsweise eine Feder aus Federstahl, um eine dauerhaft zuverlässige und sichere Funktion zu gewährleisten. Zudem ist eine derartige Feder unempfindlich gegen hohe Temperaturen und gegen chemische Einflüsse der in der Praxis üblicherweise eingesetzten Antriebsfluide. Bei weniger anspruchsvollen Einsatzbedingungen, insbesondere bei niedrigeren Temperaturen, kann auch eine Feder aus Kunststoff verwendet werden. Bevorzugt ist die Freistrahlzentrifuge nach der Erfindung als Schmierölzentrifuge oder als Fliehkraftabscheider zur Entölung von insbesondere Kurbelgehäuseentlüftungsgasen ausgebildet. Weiter bevorzugt ist dabei ein Einsatz der erfindungsgemäßen Freistrahlzentrifuge an Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, insbesondere von Personenkraftwagen und Lastkraftwagen, vorgesehen. Weitere mögliche Anwendungsbeispiele sind Heiz- und Blockkraftwerke, Land- und Baumaschinen (Offroad-Anwendungen) und Eisenbahnfahrzeuge.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine Freistrahlzentrifuge mit einem Rotor mit Antriebsteil und
Schmutzfangteil in einer ersten Ausführung, in einem Längsschnitt,
Figur 2 bis Figur 4 den Antriebsteil der Freistrahlzentrifuge aus Figur 1 in drei verschiedenen Betriebszuständen, jeweils im Längsschnitt,
Figur 5 die Freistrahlzentrifuge mit Rotor in einer zweiten Ausführung, in einem Längsschnitt, und
Figur 6 das Detail VI aus Figur 5, in vergrößerter Darstellung.
Figur 1 der Zeichnung zeigt eine komplette Freistrahlzentrifuge 1 in einem Längsschnitt, wobei hier die Zentrifuge 1 beispielsweise zur Reinigung des Schmieröls einer Brennkraftmaschine ausgelegt ist. Die Freistrahlzentrifuge 1 besitzt ein Gehäuse 10, das oberseitig von einem abschraubbaren Deckel 1 1 verschlossen ist.
Im Gehäuse 10 ist ein Rotor 2 um eine Drehachse 26 drehbar gelagert. Ein oberer Teil des Rotors 2 wird durch einen Schmutzfangteil 25 gebildet. Zum Antrieb des Rotors 2 dient ein Antriebsteil 20.
Nach Abnehmen des Deckels 1 1 kann der Schmutzfangteile 25 in bekannter Weise vom Antriebsteil 20 nach oben hin abgezogen und entsorgt sowie durch einen frischen Schmutzfangteil 25 ersetzt werden. Der Antriebsteil 20 weist zwei Rückstoßdüsen 24 auf, von denen in dem Schnitt gemäß Figur 1 nur die rechte Rückstoßdüse 24 sichtbar ist. Von einem Zentralkanal 21 aus ist den beiden Rückstoßdüsen 24 durch je einen Zuführkanal 22 und Düsenkanal 23 ein Antriebsfluid, beispielsweise unter Druck stehendes Schmieröl einer zugehörigen Brennkraftmaschine, zuführbar. Der Zuführkanal 22 verläuft dabei zumindest teilweise in Radialrichtung oder in einer eine radiale Komponente aufweisenden Richtung, hier schräg nach außen und unten. Der Düsenkanal 23 und die Rückstoßdüse 24 verlaufen dagegen etwa rechtwinklig zum Zuführkanal 22 in einer im Wesentlichen tangentialen Richtung. Durch den Rückstoß des durch die Rückstoßdüsen 24 mit hoher Geschwindigkeit austretenden Antriebsfluids wird der Rotor 2 in eine schnelle Drehung versetzt, in der Praxis mit einer Drehzahl beispielsweise bis zu etwa 10.000 1/min.
Um eine Zerstörung des Rotors 2 und weiterer Teile der Freistrahlzentrifuge 1 durch eine zu hohe Drehzahl des Rotors 2 zu vermeiden, sind diesem Regelelemente 3 zugeordnet. Die Regelelemente 3 sind hier in Form je einer Schraubenfeder 30 ausgeführt, die innerhalb des jeweiligen Zuführkanals 22 angeordnet sind. Der Außendurchmesser der Schraubenfeder 30 ist dabei so gewählt, dass die Schraubenfeder möglichst nah an der inneren Oberfläche des Zuführkanals 22 verläuft, aber ein ausreichendes Bewegungsspiel in dessen Längsrichtung hat. Dabei ist jeweils das radial äußere Ende der Schraubenfeder 30 am in Radialrichtung geschlossenen, radial äußeren Ende des Zuführkanals 22 abgestützt. Am radial inneren Ende jeder Schraubenfeder 30 ist ein Gewichtskörper 31 in Form einer zylindrischen Hülse angeordnet, der ebenso wie die Schraubenfeder 30 in Axialrichtung des Zuführkanals 22 in diesem in dessen Längsrichtung bewegbar ist. Nach radial innen hin sind die beiden Gewichtskörper 31 durch einen Anschlag 32 in ihrer Bewegung beschränkt. Der Anschlag 32 ist hier durch eine koaxial zum Zentralkanal 21 verlaufende Hülse gebildet, deren unterer Rand geringfügig in den Querschnitt der Zuführkanäle 22 hineinragt.
Von jedem Zuführkanal 22 geht nahe dessen radial äußerem Ende der Düsenkanal 23 rechtwinklig ab, an dessen äußerem Ende jeweils eine der Rückstoßdüsen 24 angeordnet ist. In dem in Figur 1 gezeigten Zustand steht der Rotor 2 der Freistrahlzentrifuge 1 still, so dass nun die Schraubenfedern 30 den jeweils zugehörigen Gewichtskörper 31 in Radialrichtung nach innen gegen den Anschlag 32 drücken.
Dieser Zustand mit stillstehendem Rotor 2 ist auch in dem Ausschnitt gemäß Figur 2 in vergrößerter Darstellung anhand nur des Antriebsteils 20 gezeigt. Die Gewichtskörper 31 liegen unter der Belastung der Schraubenfeder 30 der Regelelemente 3 an dem Anschlag 32 an. Hierdurch befinden sich die einzelnen Windungen der Schraubenfedern 30 in dem maximal möglichen axialen Abstand voneinander. Sobald nun unter Druck stehendes Antriebsfluid durch den Zentralkanal 21 zugeführt wird, fließt jeweils ein Teilstrom des Antriebsfluids durch die hülsenförmigen Gewichtskörper 31 und den jeweils weiteren Verlauf des Zuführkanals 22 zu dem jeweiligen Düsenkanal 23 und der nachgeordneten Rückstoßdüse 24 und tritt aus dieser mit hoher Geschwindigkeit aus, wodurch die Rotation des Rotors 2 um die Drehachse 26 erzeugt wird. Der Zufluss des Antriebsfluids aus dem Zuführkanal 22 in den Düsenkanal 23 wird hierbei durch die Regelelemente 3 nicht begrenzt.
In Figur 3 ist in gleicher Darstellungsweise wie in Figur 2 ein zweiter Betriebszustand gezeigt, in welchem der Antriebsteil 20 bereits eine gewisse Drehzahl erreicht hat. Diese Drehung des Antriebsteils 20 (und des hier nicht dargestellten Rotors 2) führt dazu, dass infolge der entstehenden Fliehkraft, jeweils unterstützt durch den Gewichtskörper 31 , die Schraubenfeder 30 in Radialrichtung nach außen zusammengedrückt wird. Hierdurch werden die einzelnen Windungen der Schraubenfedern 30 in Axialrichtung des Zuführkanals 22 gesehen auf einen kleineren Abstand voneinander gebracht. Dies vermindert den freien Durchlassquerschnitt für das Antriebsfluid aus dem Zuführkanal 22 in den jeweils zugehörigen Düsenkanal 23, da der freie Durchlassquerschnitt durch den Abstand der Windungen der Schraubenfedern 30 voneinander bestimmt wird.
In Figur 4 ist, wieder in gleicher Darstellungsweise wie in den Figuren 2 und 3, ein Betriebszustand dargestellt, der sich einstellt, wenn der Antriebsteil 20 (und der Rotor 2) eine maximal zulässige Drehzahl erreicht haben. Durch die jetzt noch größere Fliehkraft sind die beiden Schraubenfedern 30 der Regelelemente 3, unterstützt durch die Kraft der Gewichtskörper 31 , so weit zusammengedrückt, dass die einzelnen Windungen der Schraubenfedern 30 auf Anschlag aneinander liegen. Auf diese Weise wird der Zufluss von Antriebsfluid aus dem Zuführkanal 22 zum Düsenkanal 23 praktisch abgesperrt. Die Antriebsleistung des Antriebsteils 20 wird somit sehr schnell und wirksam abgeschaltet oder wenigstens sehr stark vermindert, was gewährleistet, dass der Antriebsteil 20 und der Rotor 2 sicher keine unzuträglich hohe Drehzahl erreichen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Freistrahlzentrifuge 1 ist in den Figuren 5 und 6 der Zeichnung dargestellt, in Figur 5 komplett und in Figur 6 das vergrößerte Detail VI aus Figur 5. Hier hat, um eine andere Möglichkeit zur Beeinflussung der Regelcharakteristik des Regelelementes 3 in Form der Schraubenfeder 30 zu schaffen, die Schraubenfeder 30 in ihrer Längsrichtung gesehen mindestens einen Abschnitt 30' mit einer verminderten Windungssteigung. In dem Abschnitt 30' mit verminderter Windungssteigung ist die Masse der Schraubenfeder 30 pro Längeneinheit vergrößert, sodass bei vorgegebener Federlänge und Rotordrehzahl eine vergrößerte Fliehkraft und damit eine veränderte Regelcharakteristik erreicht wird.
Der Abschnitt 30' mit verminderter Windungssteigung der Schraubenfeder 30 liegt hier in deren Längsmitte. Dadurch ist die Feder 30 symmetrisch, sodass es beliebig ist, in welcher Ausrichtung sie in den Zuführkanal 22 eingebaut wird, was Montagefehler vermeidet.
Zusätzlich liegt hier je ein Abschnitt 30" mit verminderter Windungssteigung der Schraubenfeder 30 an deren Enden. Die Schraubenfeder 30 bleibt dabei symmetrisch und ihre Einbaurichtung bleibt beliebig. Der radial äußere Abschnitt 30" mit verminderter Windungssteigung der Schraubenfeder 30 ist im Vergleich zu dem in Längsmitte der Schraubenfeder 30 liegenden Abschnitt 30' verminderter Windungssteigung kürzer ausgeführt, um den im radialen Endbereich des Zuführkanals 22 von diesem abgehenden Düsenkanal 23 nicht schon im entspannten Zustand der Schraubenfeder 30 zu verdecken oder zu drosseln. Der Abzweig des Düsenkanals 23 vom Zuführkanal 22 liegt hier daher in einem Abstand von dem radial äußeren Ende der Schraubenfeder 30, der größer ist als die Länge des dortigen Abschnitts 30" mit verminderter Windungssteigung.
Die Windungssteigung kann in den Abschnitten 30', 30" soweit vermindert sein, dass die einander benachbarten Windungen der Schraubenfeder 30 schon in deren entspanntem Zustand aneinander anliegen. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Freistrahlzentrifuge 1 ist ein separater Gewichtskörper 31 , wie er beim ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, nicht vorhanden; dessen Funktion wird von dem oder den Abschnitt(en) 30', 30" verminderter Windungssteigung der Schraubenfeder 30 übernommen.
Es ist auch eine Ausführung der Freistrahlzentrifuge 1 denkbar, bei der sowohl ein Gewichtskörper 31 als auch ein oder mehrere Abschnitte 30', 30" verminderter Windungssteigung der Schraubenfeder 30 in dem/jedem Zuführkanal 22 vorhanden sind.
In den Figuren 5 und 6 ist die Freistrahlzentrifuge 1 in einem Betriebszustand mit stillstehendem Rotor 2 gezeigt, wobei keine Zentrifugalkraft auftritt und daher die Schraubenfedern 30 in den Zuführkanälen 22 ihren entspannten Zustand mit maximaler Länge und maximalem Windungsabstand einnehmen.
Der Aufbau und die Funktion der Freistrahlzentrifuge 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel entsprechen im Übrigen denen des ersten Ausführungsbeispiels nach den Figuren 1 bis 4, auf deren Beschreibung verwiesen wird.
Mit der vorliegenden Erfindung wird also eine technisch relativ einfache und platzsparend integrierbare sowie funktional wirksame und zuverlässige Drehzahlbegrenzung für den Rotor der Freistrahlzentrifuge erzielt.
Die Erfindung ist an praktisch beliebigen Freistrahlzentrifugen, auch mit einteiligen Rotoren oder mit Tellerstapelrotoren, verwendbar.
Bezugszeichenliste:
Zeichen Bezeichnung
1 Freistrahlzentrifuge
10 Gehäuse
1 1 Deckel
2 Rotor
20 Antriebsteil
21 Zentralkanal
22 Zuführkanal
23 Düsenkanal
24 Rückstoßdüse
25 Schmutzfangteil
26 Drehachse
3 Regelelement
30 Schraubenfeder
30', 30" Abschnitte mit verminderter Windungssteigung
31 Gewichtskörper
32 Anschlag

Claims

Patentansprüche:
1 . Freistrahlzentrifuge (1 ) mit einem drehbar gelagerten Rotor (2), wobei der Rotor (2) wenigstens eine Rückstoßdüse (24) aufweist, aus der ein unter Druck stehendes Antriebsfluid ausstoßbar ist, und wobei der Rotor (2) wenigstens einen zumindest teilweise in Radialrichtung des Rotors (2) verlaufenden Zuführkanal (22) aufweist, durch den der Rückstoßdüse (24) das Antriebsfluid zuführbar ist, und mit wenigstens einem einen Durchlassquerschnitt für das Antriebsfluid zur Rückstoßdüse (24) oder einen die Rückstoßdüse (24) umgehenden Absteuerquerschnitt für das Antriebsfluid verstellenden Regelelement (3),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass das Regelelement (3) im Rotor (2) angeordnet und durch eine bei Drehung des Rotors (2) entstehende Fliehkraft gegen eine Rückstellkraft verstellbar ist.
2. Freistrahlzentrifuge nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Regelelement (3) in einem im Wesentlichen radial verlaufenden Teil des Zuführkanal (22) angeordnet und in seiner Lage innerhalb des Zuführkanals (22) den Durchlassquerschnitt für das Antriebsfluid zur Rückstoßdüse (24) verkleinernd oder den die Rückstoßdüse (24) umgehenden Absteuerquerschnitt für das Antriebsfluid vergrößernd durch die bei der Drehung des Rotors (2) entstehende Fliehkraft gegen die Rückstellkraft verstellbar ist.
3. Freistrahlzentrifuge nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Düsenkanal (23) der Rückstoßdüse (24) von einem Innenumfang des Zuführkanals (22) an oder nahe dessen radial äußerem Ende ausgeht und dass das Regelelement (3) eine im Zuführkanal (22) angeordnete und an dessen radial äußerem Ende abgestützte, durch die bei Drehung des Rotors (2) entstehende Fliehkraft zusammendrückbare Schraubenfeder (30) ist, deren Außendurchmesser dem Innendurchmesser des Zuführkanals (22) abzüglich eines ausreichenden Bewegungsspiels entspricht.
4. Freistrahlzentrifuge nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass am radial inneren Ende der Schraubenfeder (30) ein im Zuführkanal (22) in dessen Längsrichtung bewegbarer, für das Antriebsfluid durchlässiger Gewichtskörper (31 ) angeordnet ist.
5. Freistrahlzentrifuge nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtskörper (31 ) eine zylindrische Hülse ist, deren Außendurchmesser dem Innendurchmesser des Zuführkanals (22) abzüglich eines ausreichenden Bewegungsspiels entspricht.
6. Freistrahlzentrifuge nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenfeder (30) in ihrer Längsrichtung gesehen mindestens einen Abschnitt (30') mit einer verminderten Windungssteigung hat.
7. Freistrahlzentrifuge nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (30') mit verminderter Windungssteigung der Schraubenfeder (30) in deren Längsmitte liegt.
8. Freistrahlzentrifuge nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass je ein Abschnitt (30") mit verminderter Windungssteigung der Schraubenfeder (30) an deren Enden liegt.
9. Freistrahlzentrifuge nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenfeder (30) eine Federkonstante hat und ggf. der Gewichtskörper (31 ) eine Masse hat, die so bemessen ist/sind, dass erst bei maximal zulässiger Drehzahl des Rotors (2) die Windungen der Schraubenfeder (30) in Anlage aneinander gelangen.
10. Freistrahlzentrifuge nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Bewegungsweg des Regelelements (3) oder des Gewichtskörpers (31 ) im Zuführkanal (22) in Radialrichtung des Rotors (2) nach innen begrenzender Anschlag (32) vorgesehen ist.
1 1 . Freistrahlzentrifuge nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenfeder (30) eine Feder aus Federstahl ist.
12. Freistrahlzentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass diese als Schmierölzentrifuge oder als Fliehkraftabscheider zur Entölung von insbesondere Kurbelgehäuseentlüftungsgasen ausgebildet ist.
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