ПОЛНОПОТОЧНАЯ ЦЕНТРИФУГА С ВИХРЕВЫМ ПРИВОДОМ Российский патент 2020 года по МПК B04B1/02 B04B3/00 B04B9/06 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для разделения жидких неоднородных систем с помощью центробежных сил, и может быть использовано для очистки от механических загрязнений и воды масел, топлив, гидравлических и моющих жидкостей при их регенерации, а также в процессе эксплуатации непосредственно на машинах и агрегатах.

Известны центрифуги для очистки жидкости (центробежные фильтры) с активным гидроприводом, содержащие корпус, размещенный внутри него ротор, насаженный на ось, каналы для подвода и отвода очищаемой жидкости и гидропривод ротора, содержащий тангенциальные сопла (щели) в неподвижной оси [А.с. СССР 272727, F01m, B04b 3/00. Центробежный фильтр / Старинский Н.Б. и др. - Заявка: 1040984/24-6; 04.12.65; Опубл. 03.06.70. Бюл. №19.; А.с. СССР 549175, В04В 9/10. Центрифуга для очистки жидкости / Гофштейн О.И. и др. - Заявка: 1880916/06; 08.02.73; Опубл. 05.03.77. Бюл. №9.]. Гидропривод фактически представляет собой радиальную центробежную турбину. Жидкость, истекающая из сопел оси тангенциально, увлекает во вращение ротор за счет сил трения. Движущий момент такого гидропривода зависит от расхода через сопла и плеча, которое соответствует радиусу оси и конструктивно не может быть большим.

Таким образом, для эффективной работы гидропривода ротора требуется повышенный расход жидкости, что приводит к большим гидравлическим потерям и отрицательно сказывается на сепарационной эффективности центрифуги.

Известна центрифуга для очистки жидкости [А.с. СССР 601048, В04В 1/02, В04В 9/06. Центрифуга для очистки жидкости / Чернышенко И.Я. и др. - Заявка: 2376329/23-13; 21.06.76; Опубл. 14.12.77.] с гидроприводом, работающим по принципу центростремительной радиально-осевой турбины (турбины Френсиса). Гидропривод размещен в камере под ротором центрифуги и представляет собой ряд неподвижных сопел на периферии камеры и рабочего колеса турбины с лопатками в ее центре, неизменно связанного с ротором.

Недостатками этой центрифуги является сложность изготовления деталей гидропривода, большое гидравлическое сопротивление.

Наиболее близкой к предлагаемой конструкции является центрифуга для очистки жидкости [А.с. SU 1743644, В04В 1/00. Центрифуга для очистки жидкости / Ходаков В.А. - Заявка: 4849876/13; 10.07.90; Опубл. 30.06.92. Бюл. №24.], содержащая вертикальный цилиндрический корпус с основанием и крышкой, размещенный внутри него и установленный на полых полуосях ротор с колонкой, имеющий каналы для подвода и отвода жидкости, гидропривод, содержащий лопастную турбину, укрепленную внутри нижней полуоси и по меньшей мере один патрубок для подвода исходной жидкости. С целью повышения степени очистки путем увеличения частоты вращения ротора в основании корпуса соосно ротору выполнена цилиндрическая ускорительная камера для создания вихревого движения поступающей жидкости, при этом патрубок для подвода исходной жидкости прикреплен тангенциально относительно внутренней цилиндрической поверхности камеры, причем нижняя часть лопастной турбины размещена внутри этой камеры непосредственно над ее днищем.

К недостаткам этой центрифуги можно отнести ее значительное гидравлическое сопротивление, сложность изготовления лопастной турбины, а также ошибочное представление о вихревой камере, как об ускорительной. Для вязких жидкостей эффект возрастания линейной скорости вихря по мере приближению к центру, как показывают теория и эксперимент, незначителен. Поэтому КПД этого гидропривода низок и добиться высоких скоростей вращения ротора в данной центрифуге проблематично. Кроме того вывод очищенной жидкости производится через верхнюю полуось ротора. При этом вследствие неизбежных утечек через уплотнение между вращающимся ротором и его неподвижной опорой часть жидкости будет попадать сверху на ротор и разбрызгиваться им. Это создаст значительное дополнительное сопротивление вращению, а значит ухудшит эффективность очистки.

Вместе с тем использование вихревой камеры как направляющего аппарата турбиной ступени гидропривода центрифуг рационально.

Цель изобретения состоит в повышении эффективности очистки жидкости за счет увеличения частоты вращения ротора, обусловленного снижением гидравлического сопротивления центрифуги, повышением КПД ее гидропривода и снижением момента сопротивления вращению, а также упрощении конструкции центрифуги.

Достижение этой цели опирается на особенности истечения жидкости из вихревой камеры. Исследователями вихревых потоков [Хавкин, Ю.И. Центробежные форсунки / Ю.И. Хавкин. Л.: Машиностроение, 1976.; Гольдштик, М.А. Вихревые потоки / М.А. Гольдштик. - Новосибирск: Наука, 1981.] установлено, что из центрального отверстия вихревой камеры жидкость истекает достаточно тонким кольцевым слоем и по выходу из отверстия образует конический расходящийся поток, например, как показано на фиг. 1. Приосевая зона камеры либо заполнена воздухом, либо при наличии противодавления - жидкостью. Этот объем непроточен. Радиус центральной приосевой зоны r_m, толщина кольцевого слоя t_c, предельный угол конусности потока β_max зависят от радиуса выходного отверстия камеры r₁, расхода жидкости, скорости ее вращения на выходе и могут быть вычислены по известным формулам /5, 6/. Таким образом, если использовать естественные границы потока на выходе из вихревой камеры, то тип турбиной ступени гидропривода получается радиально-осевым, центробежным.

В этой связи предлагается полнопоточная центрифуга с вихревым приводом, представляющим собой радиально-осевую центробежную турбину. Ее направляющий аппарат в виде вихревой камеры содержит один или несколько тангенциальных входных каналов и формирует вращающийся и конически расходящийся поток на выходе из центрального отверстия.

Рабочее колесо турбины имеет лопатки и каналы проточной зоны, расположенные под тем же углом конусности. Через эти каналы и отверстия в колонке, поток поступает в сепарирующую полость ротора.

Кроме того, вывод жидкости из ротора осуществляется через его нижний шип, размещенный в центральной нерабочей зоне вихревой камеры. Благодаря этому снижается момент сопротивления вращению ротора вследствие отсутствия утечек жидкости в уплотнении его верхней опоры.

Предлагаемое изобретение поясняется иллюстрациями.

На фиг. 1 представлена схема, поясняющая работу вихревой камеры. На фиг. 2 представлена схема полнопоточной центрифуги с вихревым приводом. На фиг. 3 показан вид вихревой камеры по сечению А-А. На фиг. 4 представлено рабочее колесо турбины.

Центрифуга (фиг. 2) состоит из корпуса 1 с основанием 2 и крышкой 3, установленного в них в подшипниках 4, 5 ротора, включающего колонку 6 и барабан 7, скрепленных гайкой 8. В основании 2 корпуса размещена вихревая камера 9 направляющего аппарата турбины гидропривода с несколькими тангенциальными входными каналами. Через ее центральную нерабочую зону проходит нижний шип колонки ротора, опирающийся на подшипник 4. В нижней части колонки 6 снаружи установлено рабочее колесо 10 турбины конической формы с рядом радиальных каналов прямоугольного сечения. Колесо зафиксировано на валу колонки коническим фланцем 11, который вместе с каналами образует проточную зону центробежной радиально-осевой турбины. Напротив каждого канала колеса в днище колонки выполнены отверстия для ввода жидкости из турбинной ступени в сепарирующую полость ротора. Вывод жидкости из ротора осуществляется через систему радиальных каналов, образованных крышкой барабана 7 и колонкой 6, центральное сверление в ней, нижний шип, проходящий через вихревую камеру 9 и далее отверстие в основании 2 центрифуги. Кроме того в основании 2 выполнен дренажный канал 12 для отвода утечек жидкости через цилиндрическое уплотнение вихревой камеры 9 с коническим фланцем 11 турбинного колеса.

Центрифуга работает следующим образом. Очищаемая жидкость под давлением подается на периферию вихревой камеры 9 (фиг. 2, 3). Пройдя тангенциальные каналы камеры, поток закручивается и растекается коническим слоем из ее верхнего центрального отверстия, попадая в каналы рабочего колеса 10 турбины. При этом закрученный поток взаимодействует с лопатками колеса и приводит ротор во вращение. Перемещаясь вдоль каналов в радиально-осевом направлении, жидкость через отверстия в днище колонки 6 поступает в сепарирующую полость ротора и устремляется вверх вдоль оси его вращения. В верхней части ротора очищенная в центробежном поле жидкость через радиальные каналы колонки поступает в ее центральное сверление, откуда направляется вниз. Таким образом, вывод жидкости из ротора осуществляется через его нижнюю опору, которая располагается в центральной непроточной зоне вихревой камеры 9.

Незначительные утечки жидкости через цилиндрическое уплотнение турбинной ступени - между вихревой камерой 9 и коническим фланцем 11 рабочего колеса 10 собираются в полости основания 2 центрифуги под ротором и отводятся через дренажный канал 12. В этом случае они не попадают на ротор и, следовательно, не оказывают дополнительного сопротивления его вращению.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для разделения жидких неоднородных систем с помощью центробежных сил. Центрифуга состоит из корпуса и ротора, включающего колонку и барабан. В основании корпуса установлена вихревая камера направляющего аппарата турбины гидропривода с тангенциальными каналами. В ее центральной зоне размещен нижний шип колонки. К днищу колонки фланцем крепится коническое рабочее колесо радиально-осевой центробежной турбины с радиальными каналами. Напротив каждого канала в колонке выполнены отверстия для ввода жидкости в полость ротора. Вывод очищенной жидкости из ротора производится через центральный канал колонки и ее нижний шип. Утечки жидкости через уплотнение турбины собираются в полости центрифуги под ротором и отводятся через дренажный канал. Технический результат: повышение эффективности очистки, обусловленное снижением гидравлического сопротивления центрифуги, момента сопротивления вращению ротора, повышением КПД гидропривода. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Полнопоточная центрифуга с вихревым приводом для очистки жидких неоднородных систем, содержащая корпус с основанием и крышкой, размещенный внутри него на подшипниках ротор, включающий барабан, колонку с каналами для подвода и отвода очищаемой жидкости, гидропривод турбинного типа, состоящий из направляющего аппарата, установленного в основании корпуса под ротором, и рабочего колеса, прикрепленного к колонке ротора, отличающаяся тем, что гидропривод представляет собой центробежную радиально-осевую турбину, ее направляющий аппарат в виде вихревой камеры имеет один или несколько тангенциальных входных каналов и формирует вращающийся и конически расходящийся поток на выходе из центрального отверстия, рабочее колесо турбины имеет лопатки и каналы проточной зоны, расположенные под тем же углом конусности, и выводит поток в периферийную внутреннюю область ротора через систему отверстий в колонке, выполненных для каждого канала колеса.

2. Полнопоточная центрифуга с вихревым приводом для очистки жидких неоднородных систем по п. 1, отличающаяся тем, что с целью снижения момента сопротивления вращению ротора из-за утечек жидкости в уплотнении его верхней опоры и разбрызгивания вывод жидкости осуществляется через нижний шип колонки ротора, размещенный в центральной нерабочей зоне вихревой камеры.