ЦЕНТРИФУГА ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖИДКОСТИ Российский патент 1998 года по МПК B04B9/12 B04B1/02 

Изобретение относится к области очистки жидкостей в центробежных силовых полях и может быть использовано для очистки масел в двигателях и станочном оборудовании, а также для частичной регенерации отработавших масел.

Одним из эффективных центробежных очистителей жидкостей являются центрифуги с гидроприводом. Они бывают двух типов: частично поточные (фиг.1 и 2) и полнопоточные (фиг. 3 и 4).

Из фиг. 3 и 4 видно, что поток A жидкости (обычно это смазочное масло), поступающий в полнопоточную центрифугу, войдя в ротор 6, разделяется на два потока. Поток B поворачивает вверх, выходит из ротора и далее направляется к точкам смазки. Поток C идет по колонке 7 вниз к гидрореактивным соплам 8, вырываясь из которых приводит ротор во вращение силой реакции вытекающих струй жидкости, и далее через сливное отверстие 13 выводится из центрифуги. При этом очистке подвергается как приводной поток C, так и поток B, направляемый к точкам смазки. Отсюда название центрифуги - полнопоточная.

Если поток, идущий на смазку, направляется в обход центрифуги, то очистке подвергается только приводной поток C (фиг.1 и 2). Отсюда название - частично поточная центрифуга. Принципиальной разницы в работе обоих вариантов нет, так как достаточно перекрыть выход потока B из верхней части полнопоточной центрифуги, и она превратится в частично поточную центрифугу.

Как частично поточные, так и полнопоточные центрифуги могут иметь различное конструктивное исполнение. В частности, существуют центрифуги, роторы которых установлены на сплошной оси. Сопротивление вращению их роторов достаточно велико, вследствие чего скорость вращения роторов невелика - в условиях эксплуатации она, как правило, не превосходит 6000 об/мин [1,2].

Известны также центрифуги другой конструкции, в которых ось заменена двумя шипами, на которые опирается ротор. Эти центрифуги имеют скорость вращения 10000-13000 об/мин и соответственно в три-пять раз большую эффективность [1,2] . На дальнейшее усовершенствование именно таких центрифуг (как полнопоточных, так и частично поточных) и направлено предлагаемое изобретение.

В качестве прототипа принята центрифуга, описанная в авт.св. N 1181721 [3] . Центрифуга содержит корпус с крышкой и размещенный внутри корпуса ротор, опирающийся на верхний и нижний шипы. Ротор включает барабан, колонку с каналами и гидрореактивные сопла, расположенные в нижней части ротора.

Недостатком данной конструкции является то, что верхний и нижний шипы, на которые опираются ротор, представляют собой жесткие в поперечном направлении опоры. При наличии несоосности осей шипов (всегда имеющей место на практике) возникающий при этом перекос ротора приводит к прижатию концов шипов к стенке канала колонки ротора и вместо жидкостного трения в уплотняющем зазоре возникает сухое трение (в отдельных случаях происходит даже приварка трущихся деталей друг к другу). Это вынуждает изготавливать детали центрифуги с очень высокой точностью, а впоследствии производить тщательную балансировку всей центрифуги в целом. В результате стоимость изготовления такой центрифуги сильно возрастает, увеличивается также процент брака.

С другой стороны, даже при самой тщательной балансировке, всегда имеется некоторый остаточный дисбаланс, который в сочетании с большой жесткостью шипов обусловливает высокие частоты собственных поперечных и угловых колебаний ротора [4]. Для высокоскоростных центрифуг эти частоты оказываются в области рабочих скоростей вращения ротора. При работе таких центрифуг наблюдаются резонансные явления, вызванные совпадением частоты вращения ротора с одной из его собственных частот. В этих случаях резко увеличиваются амплитуды колебаний ротора, значительно возрастает доля мощности, затрачиваемая на работу против сил внутреннего трения в опорных шипах. В результате не удается поднять обороты ротора до значений, превышающих вторую, а зачастую и первую критические скорости даже при очень больших расходах жидкости на привод ротора. Поскольку сепарирующая способность центрифуги пропорциональна квадрату числа оборотов ее ротора [2], то это означает, что чистящие способности центрифуги используются далеко не в полной мере.

Другим нежелательным эффектом работы таких центрифуг является сильный шум, вызванный вибрацией корпуса центрифуги и ее отдельных частей.

Настоящее изобретение обеспечивает достижение следующих технических результатов: повышение качества очистки жидкостей; снижение затрат на изготовление центрифуг; уменьшение вибрации корпусов центрифуг и шума при их работе.

Эти цели достигаются тем, что для удержания ротора в корпусе центрифуги вместо одного или обоих жестких шипов используются одна или две упругие опоры малой жесткости, обеспечивающие возможность поперечных смещений концов колонки ротора; ввод жидкости в ротор и частичный вывод ее из него осуществляются через гибкие патрубки. В зависимости от конструкции центрифуги, гибкие патрубки могут также выполнять функции упругих опор малой жесткости.

Жесткость упругих опор и упругодемпфирующие характеристики гибких патрубков рассчитываются известными методами [4] так, чтобы частоты собственных поперечных и угловых колебаний ротора, а также соответствующие амплитуды колебаний лежали в пределах, обеспечивающих переход ротора через эти частоты при заданных на входе давлении и расходе жидкости через центрифугу.

Ввиду малости сопротивления гибких патрубков на изгиб усилие прижатия концов колонки ротора к внутренней стенке патрубков, возникающее при перекосах ротора, мало. Оно не может преодолеть подъемную силу жидкостного клина при быстром вращении ротора и ликвидировать жидкостное трение в уплотняющих зазорах.

Указанная совокупность признаков заявляемой центрифуги не присуща ни прототипу, ни другим техническим решениям.

Изобретение поясняется четырьмя схематическими чертежами, характеризующими частные случаи его выполнения:
на фиг. 1 - частично поточная центрифуга с одной упругой опорой малой жесткости и одним гибким патрубком;
на фиг. 2 - частично поточная центрифуга с двумя упругими опорами малой жесткости и одним гибким патрубком;
на фиг. 3 - полнопоточная центрифуга с одной упругой опорой малой жесткости и двумя гибкими патрубками;
на фиг. 4 - полнопоточная центрифуга с двумя упругими опорами малой жесткости и двумя гибкими патрубками.

Заявляемая центрифуга состоит из корпуса 1 с крышкой 2. Внутри корпуса установлен ротор 6 на двух подшипниках 5 и 9, корпуса которых закрепляются в верхней упругой 4 и нижней жесткой 11 опорах (фиг. 1 и 3) или в верхней упругой 4 и нижней упругой 10 опорах (фиг. 2 и 4) малой жесткости, позволяющих подшипникам совершать поперечные смещения вместе с ротором. В качестве таких опор удобно использовать, например, цилиндрические пружины. Ввод жидкости в ротор и частичный вывод ее из него осуществляется через гибкие патрубки 12 и 3, изготовленные, например, из отрезков дюритового шланга.

Центрифуга работает следующим образом. Жидкость, подаваемая в центрифугу под давлением, проходит через гибкий патрубок 12 внутрь ротора 6, поднимается вверх (при этом под действием центробежных сил происходит ее сепарация) и далее направляется внутрь колонки 7 ротора. Здесь, в зависимости от типа центрифуги, либо весь поток жидкости направляется по каналу колонки к гидрореактивным соплам 8 (в случае частично поточной центрифуги - фиг.1 и 2), либо часть потока направляется по каналу колонки к гидрореактивным соплам 8, а другая часть потока выводится из ротора через гибкий патрубок 3 (в случае полнопоточной центрифуги - фиг.3 и 4). Вырывающаяся из сопл жидкость силой реакции раскручивает ротор и далее через сливное отверстие 13 выводится из центрифуги.

Так как жесткость упругих опор мала, то при правильно рассчитанных характеристиках гибких патрубков резонансные скорости вращения и соответствующие амплитуды колебаний будут малы. Поэтому мощности приводного потока будет вполне достаточно для перехода через первую и вторую критические скорости вращения ротора.

Как известно из теории колебаний [4], после перехода через критические скорости, по мере возрастания частоты вращения, амплитуды поперечных и угловых колебаний ротора непрерывно уменьшаются, стремясь к некоторым малым предельным значениям. При этом часть мощности, затрачиваемая на работу против сил внутреннего трения в опорах, вначале резко уменьшается, а затем начинает медленно возрастать. В результате установившийся режим работы центрифуги достигается в закритической области при достаточно большой угловой скорости вращения ротора, вследствие чего значительно улучшаются ее очистительные способности. Кроме того, уменьшается вибрация корпуса центрифуги и ее деталей, что соответственно приводит к снижению шума при работе центрифуги.

Так как ротор в предлагаемой конструкции связан с корпусом центрифуги через упругие опоры малой жесткости, позволяющие концам колонки ротора совершать поперечные смещения, а ввод жидкости в ротор и ее частичный вывод осуществляются через гибкие патрубки, обеспечивающие сохранение режима жидкостного трения в уплотняющих зазорах опор при возможных перекосах ротора, то отпадает необходимость изготовления с высокой точностью корпуса, крышки и посадочных мест для установки ротора, а также тщательной балансировки всей центрифуги при ее сборке. Это позволяет значительно снизить стоимость изготовления центрифуги и уменьшить процент брака.

Источники информации
1. Отчет N 3474. Основы расчета и проектирования центрифуг с гидроприводом. - М: Институт механики МГУ, 1987. - 43с.

2. Гончарова Н. В. Повышение эффективности очистки масла в тракторных двигателях Д-65М. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. - Зерноград: Азово-Черноморский институт механизации сельского хозяйства, 1988. - 201 с.

3. Нагорский Л. А., Чернышенко С.И. Центрифуга для очистки жидкости. - Авт. св. N 1181721, 1985, B 04 B 1/02.

4. Кельзон А.С., Циманский Ю.П., Яковлев В.И. Динамика роторов в упругих опорах. - М: Наука, 1982. - 280 с.

Использование: изобретение относится к оборудованию для очистки жидкостей в центробежных силовых полях и может быть использовано для очистки масел в двигателях и станочном оборудовании, а также для частичной регенерации отработавших масел. Сущность: центрифуга для очистки жидкости содержит корпус с крышкой и установленный в нем на двух подшипниках ротор, снабженный гидрореактивными соплами и колонкой с каналом для подвода очищенной жидкости к соплам. Корпусы одного или двух подшипников снабжены упругой опорой малой жесткости, обеспечивающей возможность их поперечных смещений, а ротор - гибким патрубком для ввода очищаемой жидкости. Ротор также снабжен гибким патрубком для частичного отвода очищенной жидкости. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Центрифуга для очистки жидкости, содержащая корпус с крышкой и установленный в нем на двух подшипниках ротор, снабженный гидрореактивными соплами и колонкой с каналом для подвода очищенной жидкости к соплам, отличающаяся тем, что корпусы одного или двух подшипников ротора снабжены упругой опорой малой жесткости, обеспечивающей возможность их поперечных смещений, а ротор - гибким патрубком для ввода очищаемой жидкости. 2. Центрифуга по п.1, отличающаяся тем, что ротор снабжен гибким патрубком для частичного отвода очищенной жидкости.