СЕПАРИРУЮЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗА
SEPARATING SYSTEM FOR GAS CLEANING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области центробежных сепараторов, предназначенных для очистки газа, содержащего жидкие загрязнения. В частности, настоящее изобретение относится к очистке картерных газов двигателя внутреннего сгорания от частиц масла.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Хорошо известно, что смесь текучих сред разной плотности может быть разделена при помощи центробежного сепаратора. Одним из конкретных вариантов применения такого сепаратора является отделение масла от газа, сбрасываемого из картера, являющегося частью двигателя внутреннего сгорания.
Что касается этой конкретной области использования сепараторов, в ней наблюдается тенденция к проникновению газа высокого давления, присутствующего в камерах сгорания двигателя внутреннего сгорания, через соответствующие поршневые кольца в картер двигателя. Постоянное проникновение газа в картер может вызывать нежелательное увеличение давления в картере и, следовательно, необходимость сбрасывать газ из корпуса. Такой газ, выходящий из картера, обычно содержит некоторое количество моторного масла (в виде капель или мелкодисперсного тумана), захваченного из масляного резервуара картера.
Чтобы сбрасываемый газ можно было подавать в систему впуска, не вводя при этом масла (что особенно нежелательно в системе турбонаддува, где присутствие масла оказывает отрицательное влияние на эффективность компрессора), сбрасываемый газ необходимо подвергать очистке (т.е., удалению масла, захваченного газом) перед подачей в систему впуска. Процесс очистки может быть осуществлен в центробежном сепараторе, устанавливаемом на картере или в непосредственной близости от картера и направляющем очищенный газ в систему впуска, а отделенное масло - обратно в картер. Один из примеров такого сепаратора описан, например, в US 8657908.
Однако, если подлежащий очистке загрязненный газ содержит слишком много масла, например, большое количество крупных и тяжелых частиц масла, эффективность разделения в центробежном сепараторе может снижаться.
Таким образом, в данной области имеется потребность в более совершенных и целесообразных системах очистки газа, содержащего жидкие загрязнения, такие как масло.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Основной целью настоящего изобретения является обеспечение усовершенствованной сепарирующей системы для разделения загрязненного газа.
В первом аспекте изобретением обеспечивается усовершенствованная сепарирующая система для очистки газа, содержащего загрязнения, включающая центробежный сепаратор и блок предварительной сепарации, при этом, центробежный сепаратор включает:
стационарный корпус, охватывающий пространство сепарации, через которое проходит поток газа,
впуск для газа, проходящий через стационарный корпус и обеспечивающий подачу газа из блока предварительной сепарации,
вращающийся элемент, включающий сепарационные элементы, размещенные в пространстве сепарации с возможностью вращения вокруг оси (Х) вращения,
приводной элемент, обеспечивающий вращение вращающегося элемента,
выпуск для газа, предназначенный для отведения очищенного газа и включающий выходное отверстие в стенке стационарного корпуса, и
дренажный выпуск, предназначенный для отведения жидких загрязнений, отделенных от подлежащего очистке газа;
при этом, блок предварительной сепарации расположен выше по потоку от впуска для газа центробежного сепаратора, и блок предварительной сепарации включает:
впуск блока предварительной сепарации с площадью поперечного сечения А2, обеспечивающий подачу подлежащего очистке газа, при этом, площадь поперечного сечения А2 больше площади поперечного сечения А1 впуска для газа центробежного сепаратора;
выпуск блока предварительной сепарации, обеспечивающий подачу газа из блока предварительной сепарации во впуск для газа центробежного сепаратора;
первую камеру и вторую камеру, расположенную ниже по потоку от первой камеры, при этом, камеры блока предварительной сепарации разделены, по меньшей мере, одной промежуточной стенкой, в которой имеется, по меньшей мере, одно сквозное отверстие.
Содержащиеся в газе загрязнения могут включать жидкие загрязнения, такие как масло, и сажу.
Следовательно, сепарационная система может предназначаться для отделения от газа жидких загрязнений, таких как масло. Газ может представлять собой катерный газ двигателя внутреннего сгорания. Однако, сепарационная система также может быть пригодна для очистки газов, поступающих из других источников, например, из окружающей среды металлорежущих станков, которая часто содержит большое количество жидких загрязнений в форме капель масла или масляного тумана. Сепарационная система включает два блока, центробежный сепаратор, предназначенный, главным образом, для отделения от газа малого объема жидких загрязнений, например, масляного тумана, и блок предварительной сепарации, расположенный выше по потоку от центробежного сепаратора и предназначенный, главным образом, для отделения большого объема жидких загрязнений, например, более крупных частиц масла. Таким образом, блок предварительной сепарации может предназначаться для отделения частиц большого и среднего размера диаметром более, приблизительно, 10 мкм. То есть, функция предварительной сепарации является дополнительной к функции центробежного сепаратора. Этим обеспечивается возможность установки сепарационной системы как единого блока непосредственно на блоке цилиндров. Тем самым, экономится и место, и стоимость производства двигателя. В качестве альтернативы, блок предварительной сепарации может быть частично или полностью интегрирован в сепаратор, например так, чтобы стационарный корпус сепаратора также являлся корпусом блока предварительной сепарации, например, наружной стенкой блока предварительной сепарации, с тем, чтобы сепарационная система представляла собой единый блок.
Следовательно, блок предварительной сепарации может облегчать отделение жидких загрязнений от газа, поскольку площадь поперечного сечения его впуска больше площади поперечного сечения впуска в пространство сепарации центробежного сепаратора. Благодаря такому соотношению площадей поперечного сечения в сочетании с расположением камер, падение давления, скорость газа и турбулентность в блоке предварительной сепарации могут быть низкими с тем, чтобы обеспечить отделение более крупных частиц масла при соударении со внутренними стенками и промежуточными стенками блока предварительной сепарации.
В обычных конфигурациях жидкое масло, которое может присутствовать на внутренних поверхностях, например, двигателя, может перемещаться вдоль внутренних поверхностей двигателя к центробежному сепаратору. Жидкое масло также может присутствовать на внутренних поверхностях, например, картера двигателя или на внутренних поверхностях кожуха турбинного колеса центробежного сепаратора, если сепаратор приводится в действие турбинным колесом. Присутствие жидкого масла в сепараторе может снижать пропускную способность сепаратора. Однако, в сепарирующей системе настоящего изобретения это жидкое масло может улавливаться в блоке предварительной сепарации, следовательно, риск попадания жидкого масла в центробежный сепаратор может быть уменьшен.
Стационарный корпус центробежного сепаратора может включать окружающую боковую стенку, первую и вторую торцевые стенки. Стационарный корпус может иметь цилиндрическую форму с круглым поперечным сечением, имеющим радиус R от оси (Х) вращения окружающей боковой стенки. Радиус R может быть постоянным, по меньшей мере, в отношении основной части окружности окружающей боковой стенки. Стационарный корпус также может быть немного коническим. Первая и вторая торцевые стенки могут образовывать верхнюю торцевую стенку и нижнюю торцевую стенку цилиндрического корпуса.
Впуск для газа центробежного сепаратора может пронизывать первую торцевую стенку или окружающую боковую стенку вблизи первой торцевой стенки в верхней части сепаратора с тем, чтобы газ, поступающий через впуск для газа, попадал в пространство сепарации, тогда как дренажный выпуск может находиться во второй торцевой стенке, например, в нижней части сепаратора. Площадь поперечного сечения впуска для газа обозначена А1.
В вариантах осуществления изобретения А1, по существу, равна площади поперечного сечения пространства сепарации, которое представляет собой площадь пространств или зазоров между дисками в наборе дисков. А1 также может быть больше площади поперечного сечения пространства сепарации.
Сепарационные элементы вращающегося элемента являются примером увеличивающих поверхность вставок, которые интенсифицируют отделение загрязнений от газа. Сепарационные элементы могут представлять собой набор сепарационных дисков. Сепарационные диски в этом наборе могут иметь форму усеченного конуса. Диск в форме усеченного конуса может иметь плоскую часть, лежащую в плоскости, перпендикулярной оси вращения, и часть с формой усеченного конуса, отходящую вверх или вниз. Плоская часть может находиться ближе к оси вращения, чем часть с формой усеченного конуса. Кроме того, диски в этом наборе могут представлять собой радиальные диски, то есть, по существу, полностью лежащие в плоскости, перпендикулярной оси вращения.
Также следует понимать, что сепарационные элементы, такие как сепарационные диски, не обязательно должны образовывать набор. Пространство сепарации, например, может включать осевые диски, или пластины, идущие вокруг оси вращения. Осевые диски, или пластины, могут быть плоскими, т.е., лежащими в плоскостях, параллельных оси вращения. Осевые диски, или пластины, также могут иметь немного или значительно изогнутую форму, например, дугообразную или спиральную форму на виде в радиальной плоскости.
Во время работы подлежащий очистке газ может быть направлен по центру через сепарационные элементы, например, по центру через набор сепарационных дисков. В такой конфигурации вращающийся элемент может дополнительно определять наличие центрального пространства, образованного, по меньшей мере, одним сквозным отверстием в каждом из сепарационных дисков. Это центральное пространство соединено со впуском для газа и предназначено для подачи подлежащего очистке газа из впуска для газа в зазоры набора сепарационных дисков.
В этом случае площадь поперечного сечения пространства сепарации представляет собой сумму площадей сквозных отверстий в самом верхнем диске набора дисков.
В сепарационном диске может иметься центральная, по существу, плоская часть, перпендикулярная оси вращения. Эта часть может включать сквозные отверстия, образующие центральное пространство. Сепарационный диск может дополнительно включать коническую часть, идущую в направлении, неперпендикулярном оси вращения.
Таким образом, центральное пространство может быть образовано сквозными отверстиями плоских частей, следовательно, площадь поперечного сечения пространства сепарации может равняться сумме площадей сквозных отверстий в плоских частях верхнего сепарационного диска набора дисков.
Приводной элемент может включать, например, турбинное колесо, вращающееся под действием струи масла из смазочной системы двигателя внутреннего сгорания, или колесо со свободной струей, включающее диск обратной вспышки. Однако, приводной элемент также может быть независимым от двигателя внутреннего сгорания и включать электромотор, гидравлический или пневматический двигатель.
Дренажный выпуск центробежного сепаратора может быть образован несколькими точечными сквозными отверстиями в стационарном корпусе. Дренажный выпуск может быть расположен по центру торцевой стенки, противоположной торцевой стенке, через которую, или вблизи которой, проходит впуск для газа. Дренажный выпуск может быть расположен на оси вращения или центрировано на оси вращения. Дренажный выпуск также может находиться в кольцевой сборной канавке вблизи внутренней торцевой стенки стационарного корпуса.
В блоке предварительной сепарации имеется впуск блока предварительной сепарации, обеспечивающий подачу подлежащего очистке газа в блок предварительной сепарации. Площадь поперечного сечения впуска блока предварительной сепарации, обозначенная А2, больше площади поперечного сечения впуска для газа центробежного сепаратора, обозначенной А1. А2 может быть более, чем на 10% больше, например, более, чем на 25% больше, или более, чем на 50% больше, или более, чем на 100% больше, чем А1. Это зависит, главным образом, от конструкционных ограничений.
Кроме того, в блоке предварительной сепарации имеется первая и вторая камеры, при этом, вторая камера расположена ниже по потоку от первой камеры. т.е., ближе к выпуску блока предварительной сепарации.
Камеры блока предварительной сепарации расположены так, чтобы обеспечивать сквозной поток подлежащего очистке газа через блок предварительной сепарации, т.е., газ направляется из впуска блока предварительной сепарации через камеры блока предварительной сепарации и вовне блока предварительной сепарации по направлению к центробежному сепаратору.
Камеры блока предварительной сепарации разделены промежуточными стенками, т.е., внутренними стенками блока предварительной сепарации. В промежуточных стенках имеются сквозные отверстия, и когда загрязненный газ ударяется об эти стенки, большие загрязняющие частицы могут отделяться от газа, тогда как газ может перемещаться в следующую камеру через сквозное отверстие. Промежуточная стенка, по меньшей мере, с одним сквозным отверстием может представлять собой перегородку, отходящую от внутренней стенки и пересекающую траекторию движения газа. Таким образом, сквозное отверстие является частью траектории потока, не преграждаемой перегородкой. То есть, перегородка или внутренняя стенка может также отделять одну камеру от другой.
В вариантах осуществления первого аспекта изобретения вторая камера имеет больший объем, чем первая камера. Если вторая камера имеет больший объем, чем первая, может быть уменьшена подъемная сила, действующая на частицы масла большого и среднего размера. После этого частицы масла, например, могут падать на дно второй камеры, откуда они могут быть выведены из блока предварительной сепарации.
В вариантах осуществления первого аспекта изобретения блок предварительной сепарации дополнительно снабжен дренажным выпуском для масла, отделенного в камерах блока предварительной сепарации.
Дренажный выпуск может быть таким же, как впуск блока предварительной сепарации.
В вариантах осуществления первого аспекта изобретения приводной элемент центробежного сепаратора включает турбинное колесо, расположенное в кожухе турбинного колеса центробежного сепаратора, при этом, впуск блока предварительной сепарации обращен в сторону кожуха турбинного колеса так, что подлежащий очистке газ направляется из кожуха турбинного колеса в блок предварительной сепарации.
Так, турбинное колесо может быть расположено с возможностью вращения под действием струи масла из смазочной системы двигателя внутреннего сгорания. При этом, блок предварительной сепарации может составлять единое целое с кожухом турбинного колеса, и подлежащий очистке в сепарирующей системе газ может быть направлен из кожуха турбинного колеса непосредственно в камеру блока предварительной сепарации через впуск блока предварительной сепарации. Кожух турбинного колеса может быть расположен в осевом направлении под стационарным корпусом центробежного сепаратора. Кроме того, дренажный выпуск центробежного сепаратора может быть расположен так, чтобы отделенное масло спускалось в кожух турбинного колеса.
В вариантах осуществления первого аспекта изобретения сепарирующая система является единым съемным блоком. Так, вся сепарирующая система может представлять собой единый компактный блок, который может быть установлен на двигателе и демонтирован как единый блок. Благодаря этому возможна экономия как затрат, так и пространства.
В вариантах осуществления первого аспекта изобретения вторая камера проходит в том же направлении, что и ось (Х) вращения.
Сепарирующая система может предназначаться для установки на двигателе так, чтобы ось Х вращения была вертикальной. Тогда вторая камера будет также ориентирована вертикально, т.е. так, что траектория потока газа через вторую камеру направлена вертикально. Благодаря этому дополнительно облегчается отделение от газа более тяжелых жидких загрязнений, т.е., сила тяжести дополнительно уменьшает подъемную силу, действующую на частицы большого и среднего размера.
В вариантах осуществления первого аспекта изобретения, по меньшей мере, в одной промежуточной стенке блока предварительной сепарации имеется, по меньшей мере, одно дренажное отверстие для отделенных жидких загрязнений, при этом, по меньшей мере, одно дренажное отверстие имеет меньшую площадь поперечного сечения, чем сквозное отверстие в промежуточной стенке.
Так, дренажный выпуск предназначен для спуска из камеры отделенного масла в камеру, находящуюся выше по потоку. Таким образом, масло, отделенное в разных камерах, может выводиться через один и то же дренажный выпуск блока предварительной сепарации.
В вариантах осуществления первого аспекта изобретения впуск блока предварительной сепарации находится в стенке первой камеры, а выпуск блока предварительной сепарации находится в стенке второй камеры. Так, первая камера может быть смежной со впуском блока предварительной сепарации, а вторая камера может быть смежной с выпуском блока предварительной сепарации.
Кроме этого, блок предварительной сепарации может включать третью камеру, расположенную между первой и второй камерами.
Также следует понимать, что блок предварительной сепарации может включать и другие дополнительные камеры, расположенные между первой и второй камерами.
Например, третья камера может иметь объем больший, чем объем первой камеры, но меньший, чем объем второй камеры.
Так, камеры блока предварительной сепарации могут быть расположены так, что какая-либо камера имеет больший объем, чем объем камеры, расположенной выше нее по потоку. Таким образом, при прохождении через блок предварительной сепарации скорость газа может уменьшаться.
Например, вторая камера может иметь коническую форму, в которой площадь поперечного сечения уменьшается в направлении движения потока.
Если выпуск блока предварительной сепарации находится в стенке второй камеры, то такой выпуск блока предварительной сепарации может находиться в самой узкой части конуса. Таким образом, вторая камера конической формы может облегчать мягкий переход из блока предварительной сепарации во впуск центробежного сепаратора.
В качестве еще одного примера, промежуточная стенка, отделяющая вторую камеру от камеры, находящейся по потоку выше второй камеры, имеет коническую форму и включает сквозное отверстие для газа в самой узкой части конической формы, при этом, промежуточная стенка заходит во вторую камеру.
Подобная промежуточная стенка конической формы может дополнительно уменьшать скорость газа при его поступлении во вторую камеру конической формы, тем самым, облегчая отделение от газа, например, частиц масла.
Во втором аспекте изобретения им обеспечивается блок предварительной сепарации для центробежного сепаратора для очистки газа, содержащего загрязнения, при этом, блок предварительной сепарации включает:
впуск блока предварительной сепарации с площадью поперечного сечения А2, обеспечивающий подачу подлежащего очистке газа,
выпуск блока предварительной сепарации с площадью поперечного сечения А3, обеспечивающий подачу газа из блока предварительной сепарации во впуск центробежного сепаратора,
при этом, площадь поперечного сечения А2 больше, чем площадь поперечного сечения А3,
по меньшей мере, первую камеру и вторую камеру, расположенную по потоку ниже указанной первой камеры, при этом, первая и вторая камеры расположены так, чтобы обеспечивать сквозной поток газа через блок предварительной сепарации, при этом, объем второй камеры больше, чем первой камеры, так что все камеры, обеспечивающие сквозной поток газа через блок предварительной сепарации, расположены так, что камера с большим объемом, чем объем смежной камеры, находится выше по потоку,
при этом, камеры блока предварительной сепарации разделены, по меньшей мере, одной промежуточной стенкой, в которой имеется, по меньшей мере, одно сквозное отверстие.
Термины и определения, использованные при описании второго аспекта изобретения, соответствуют рассмотренным выше в отношении первого аспекта изобретения. Кроме этого, блок предварительной сепарации может соответствовать рассмотренному в любом примере и варианте осуществления изобретения, относящемся к блоку предварительной сепарации первого аспекта изобретения, описанного выше.
Блок предварительной сепарации второго аспекта изобретения представляет собой блок, который может быть установлен на существующем центробежном сепараторе для очистки газа, такого как картерный газ. Поскольку площадь А2 поперечного сечения впуска больше, чем площадь А3 поперечного сечения выпуска, скорость газа в блоке предварительной сепарации остается низкой, благодаря чему облегчается отделение от газа загрязнений.
Расположение выпуска блока предварительной сепарации может предусматривать соединение со впуском для газа центробежного сепаратора, такого как центробежный сепаратор для картерного газа.
В третьем аспекте изобретения им обеспечивается способ очистки газа, содержащего загрязнения, включающий стадии, на которых:
- обеспечивают сепарирующую систему, соответствующую первому аспекту, описанному выше;
- газ, содержащий загрязнения, подают во впуск блока предварительной сепарации сепарирующей системы; и
- отводят очищенный газ через выпуск для газа центробежного сепаратора и отводят отделенные от газа загрязнения через дренажный выпуск центробежного сепаратора.
Термины и определения, использованные в отношении третьего аспекта изобретения, соответствуют рассмотренным выше в отношении первого аспекта изобретения.
Стадия обеспечения центробежного сепаратора также включает вращение вращающегося элемента центробежного сепаратора.
Газ может быть подан с расходом, по меньшей мере, 200 литров в минуту (л/м), например, по меньшей мере, 400 л/м или около 500 л/м.
Способ может дополнительно включать отведение загрязнений, отделенных в блоке предварительной сепарации, через дренажный выпуск блока предварительной сепарации.
В вариантах осуществления третьего аспекта газ, содержащий загрязнения, представляет собой картерный газ двигателя внутреннего сгорания, а загрязнения включают масло.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 представляет собой сечение центробежного сепаратора одного из вариантов осуществления изобретения.
Фиг. 2 представляет собой сечение блока предварительной сепарации одного из вариантов осуществления изобретения.
Фиг. 3 представляет собой сечение блока предварительной сепарации другого варианта осуществления изобретения.
Фиг. 4 представляет собой сечение сепарирующей системы одного из вариантов осуществления изобретения.
На фиг. 5а-d показаны различные типы сепарационных элементов, которые могут быть использованы в центробежном сепараторе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Сепарирующая система и способ, соответствующие настоящему изобретению, поясняются дополнительно в нижеследующем описании со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 показано сечение центробежного сепаратора 1 сепарирующей системы. Центробежный сепаратор 1 включает стационарный корпус 2, предназначенный для установки на двигателе внутреннего сгорания (не описывается), особенно дизельном двигателе, в надлежащем положении, например сверху двигателя внутреннего сгорания или сбоку двигателя внутреннего сгорания.
Следует отметить, что центробежный сепаратор 1 также пригоден для очистки газов, поступающих из иных источников, нежели двигатели внутреннего сгорания, например, из окружающей среды металлорежущих станков, которая часто содержит большое количество жидких загрязнений в форме капель масла или масляного тумана.
Стационарный корпус 2 охватывает пространство 3 сепарации, через которое проходит поток газа. Стационарный корпус 2 включает (или образован из) окружающую боковую стенку 4, первую торцевую стенку 5 (в описываемых вариантах осуществления - верхняя торцевая стенка) и вторую торцевую стенку 6 (в описываемых вариантах осуществления - нижняя торцевая стенка).
Центробежный сепаратор включает вращающийся элемент 7, который размещен с возможностью вращения вокруг оси Х вращения. Следует отметить, что стационарный корпус 2 является стационарным относительно вращающегося элемента 7, предпочтительно, и в отношении двигателя внутреннего сгорания, на котором он установлен.
Стационарный корпус 2 имеет радиус от оси Х вращения до окружающей боковой стенки 4, постоянный, по меньшей мере, в отношении основной части окружности окружающей боковой стенки 4. Таким образом, окружающая боковая стенка 4 имеет круглое или, по существу, круглое поперечное сечение.
Вращающийся элемент 7 включает шпиндель 8 и сепарационные элементы в форме набора сепарационных дисков 9, прикрепленных к шпинделю 8. Все сепарационные диски 9 набора сепарационных дисков 9 расположены между первой концевой пластиной 10 (в описываемых вариантах осуществления - верхняя концевая пластина) и второй концевой пластиной 11 (в описываемых вариантах осуществления - нижняя концевая пластина).
Шпиндель 8 и, следовательно, вращающийся элемент 7 опираются с возможностью вращения на стационарный корпус 2 посредством первого подшипника 12 (в описываемых вариантах осуществления - верхний подшипник) и второй подшипник 13 (в описываемых вариантах осуществления - нижний подшипник).
Сепарационные диски 9 имеют форму усеченного конуса и отходят от шпинделя 8 наружу и вверх. Сепарационные диски включают плоскую часть 9а, проходящую перпендикулярно оси Х вращения, и коническую часть 9b, идущую наружу и вверх от плоской части 9а.
Следует отметить, что сепарационные диски 9 также могут идти наружу и вверх или радиально.
Сепарационные диски 9 находятся на некотором расстоянии друг от друга благодаря наличию распорных элементов (не описаны), обеспечивающих зазоры 14 между соседними сепарационными дисками 9, т.е., зазор 14 между каждой парой соседних сепарационных дисков 9. Осевая толщина каждого зазора 14 может составлять, например, порядка 1-2 мм.
Сепарационный диск 9 может быть изготовлен из пластмассы или металла. Обычно, количество сепарационных дисков 9 больше, чем показано на фиг. 1, и может составлять, например, от 50 до 100 сепарационных дисков 9 в зависимости от размера центробежного сепаратора.
Вращающийся элемент 7 определяет наличие центрального пространства 15. Центральное пространство 15 образовано отверстием в каждом из сепарационных дисков 9. В вариантах осуществления изобретения, соответствующих фиг. 1, центральное пространство 15 образовано множеством сквозных отверстий 24, имеющихся в первой концевой пластине 10 и в каждом из сепарационных дисков 9, но не во второй концевой пластине 11. Сквозные отверстия расположены в плоских частях 9а сепарационных дисков.
Сквозное отверстие 24 имеет площадь А1', и площадь поперечного сечения впуска в пространство сепарации равна сумме всех А1' в верхнем диске набора сепарационных дисков на фиг. 1. В данном варианте осуществления изобретения сепарационные диски имеют одинаковую форму, т.е., А1' одинакова для всего набора дисков.
Плоская часть 9а диска может иметь большие сквозные отверстия, так что площадь А1, по существу, равна площади поперечного сечения плоской части 9а.
В центробежном сепараторе 1 имеется впуск 16 газа, предназначенный для подачи подлежащего очистке газа. Впуск 16 газа проходит через стационарный корпус 2, точнее, через первую торцевую стенку 5. Впуск 16 газа сообщается с центральным пространством 15, поэтому подлежащий очистке газ поступает из впуска 16 через центральное пространство 15 в зазоры 14 набора сепарационных дисков 9. Впуск 16 газа предназначен для соединения с картером двигателя внутреннего сгорания или любым другим источником газа посредством впускного трубопровода 17, обеспечивающего подачу картерного газа из картера во впуск 16 газа и далее в центральное пространство 15 и зазоры 14, как описано выше. Впуск 16 газа имеет площадь поперечного сечения, обозначенную А1 и равную площади поперечного сечения впускного трубопровода 17.
Центробежный сепаратор 1 дополнительно включает приводной элемент 18, предназначенный для вращения вращающегося элемента 7. В данном варианте осуществления изобретения приводной элемент включает турбинное колесо, находящееся в кожухе 20 турбинного колеса центробежного сепаратора 1. Во время работы турбинное колесо вращается под действием струи масла из смазочной системы двигателя внутреннего сгорания. Струя масла подается через сопло 19. В качестве альтернативы, приводной элемент 18 может быть независимым от двигателя внутреннего сгорания и включать электромотор, гидравлический или пневматический двигатель.
В центробежном сепараторе имеется дренажное отверстие (выпуск) 22, предназначенное для отведения жидких загрязнений, отделенных от газа, и выпуск 23 газа, предназначенный для отведения очищенного газа. Жидкие загрязнения отделяются от газа в зазорах 14, очищенный газ выходит из зазоров 14 в пространство 3 сепарации и далее поступает в выпуск 23 газа. Траектория движения газа через центробежный сепаратор на фиг. 1 показана стрелками «А». Тяжелые компоненты стекают по внутренней поверхности 25 окружающей боковой стенки 4 вниз в кольцевую сборную канавку 21 и выходят через дренажное отверстие 22 в кожух 20 турбинного колеса. Однако, дренажное отверстие 22 также может иметь форму сквозных отверстий, расположенных по центру нижней торцевой стенки 6, тогда отделенные жидкие загрязнения стекают через второй подшипник 13 в кожух 20 турбинного колеса.
На фиг. 2 показано сечение блока 26 предварительной сепарации, который может быть использован в сепарирующей системе. Блок 26 предварительной сепарации включает первую камеру 29, вторую камеру 30 и третью камеру 35, находящуюся между первой и второй камерами. Впуск 27 блока предварительной сепарации находится в наружной стенке первой камеры 29, тогда как выпуск 28 блока предварительной сепарации находится в наружной стенке второй камеры 30. Площадь поперечного сечения впуска блока предварительной сепарации равна А2, площадь поперечного сечения выпуска блока предварительной сепарации равна А3. Площадь поперечного сечения А2 больше, чем площадь поперечного сечения А3, например, более, чем в два раза, больше площади А3 или более, чем в четыре раза, больше площади А3. Камеры блока 26 предварительной сепарации разделены промежуточными стенками. В данном варианте осуществления изобретения промежуточная стенка 31а разделяет первую камеру 29 и третью камеру 35, промежуточная стенка 31b разделяет третью камеру 35 и вторую камеру 30. Кроме того, часть 36 промежуточной стенки 31b разделяет первую камеру 29 и вторую камеру 30. В промежуточных стенках имеются сквозные отверстия для прохождения газа, содержащего жидкие загрязнения, между камерами. Сквозное отверстие 32а расположено в промежуточной стенке 31а, тогда как сквозное отверстие 32b расположено в промежуточной стенке 31b Сквозное отверстие 32а расположено в осевом направлении в верхней части промежуточной стенки 31а и может иметь большую площадь поперечного сечена, например, площадь, составляющую более 10% площади промежуточной стенки 31а или более 25% площади промежуточной стенки 31а.
Кроме того, имеются дренажные отверстия, расположенные в промежуточных стенках так, что отделенные жидкие загрязнения могут быть выведены из камер блока 26 предварительной сепарации. Площадь поперечного сечения дренажного отверстия меньше площади поперечного сечения сквозного отверстия для газа, находящегося в той же промежуточной стенке, например, более, чем в три раза, меньше или более, чем в пять раз, меньше.
Дренажное отверстие 34а расположено в промежуточной стенке 31а так, что отделенные жидкие загрязнения могут быть выведены из третьей камеры 35 в первую камеру 29. Часть 37 наружной стенки второй камеры 35 дополнительно наклонена в сторону дренажного отверстия 34а для облегчения перемещения отделенных жидких загрязнений к дренажному отверстию 34а. Кроме того, дренажное отверстие 34b расположено в части 36 промежуточной стенки 31b, которая отделяет вторую камеру 30 от первой камеры 29, так, что отделенные жидкие загрязнения могут быть выведены из второй камеры 30 в первую камеру 29. Также могут иметься дренажные отверстия в промежуточной стенке 31b между второй и третьей камерами, так что отделенные во второй камере 30 жидкие загрязнения выводятся в первую камеру 29 через третью камеру 35. Также имеется дренажное отверстие 33 для выведения отделенных жидких загрязнений из блока 26 предварительной сепарации. В данном варианте осуществления изобретения дренажное отверстие 33 аналогично впуску 27 блока предварительной сепарации.
Кроме того, вторая камера 30 имеет форму конуса, и площадь внутреннего поперечного сечения уменьшается в направлении по потоку. Блок предварительной сепарации расположен так, что коническая вторая камера 30 проходит в направлении Х1. Термин «в осевом направлении» в отношении блока предварительной сепарации относится к осевому направлению Х1. Таким образом, вторую камеру 30 можно рассматривать как имеющую нижнюю в осевом направлении часть 39 и верхнюю в осевом направлении часть 40, при этом, верхняя в осевом направлении часть находится по потоку ниже нижней в осевом направлении части, т.е., расположена ближе к выпуску блока предварительной сепарации. Площадь поперечного сечения дна второй камеры 30, т.е., нижней в осевом направлении части 39, больше площади поперечного сечения верхней в осевом направлении части 40. Площадь поперечного сечения постепенно уменьшается в направлении по потоку или в осевом направлении конической второй камеры. Кроме того, часть 38 промежуточной стенки 31b, которая разделяет вторую камеру 30 и третью камеру 35, сама по себе имеет коническую форму, а сквозное отверстие 32b для газа находится в самой узкой части конуса. Коническая часть 38 промежуточной стенки 31b вдается во вторую камеру 30.
Кроме того, объем камер блока предварительной сепарации уменьшается в направлении по потоку. Это означает, что если первая камера имеет объем V1, третья камера имеет объем V3, и вторая камера имеет объем V2, то V1<V2<V3.
Во время работы газ, содержащий жидкие загрязнения, например масло, поступает через впуск 27 блока предварительной сепарации в первую камеру 29 блока 26 предварительной сепарации. Значительная часть больших частиц масла и чистое масло соударяются с внутренними стенками и промежуточной стенкой 31а и выходят из блока 26 предварительной сепарации через большое дренажное отверстие 33. Затем газовый поток поступает в третью камеру 35 через сквозное отверстие 32а. Это большое отверстие, так как падение давления и скорость газа нужно поддерживать низкими. Благодаря большему объему V3 третьей камеры уменьшается подъемная сила, действующая на большие и средние частицы масла, которые падают на дно и отводятся в первую камеру 30 через меньшее дренажное отверстие 34а и далее наружу через дренажное отверстие 33. Затем газовый поток поступает в коническую вторую камеру 30, в которой на дно падают маленькие частицы благодаря уменьшению подъемной силы. Масло, собранное во второй камере 30, через дренажное отверстие 34b выводится в первую камеру 29 и далее наружу через дренажное отверстие 33. Затем газ, содержание жидких загрязнений в котором уменьшено, может покинуть блок 28 предварительной сепарации.
Во время работы расход газа может составлять более 200 л/мин, например, более 400 л/мин или около 500 л/мин.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 2, блок предварительной сепарации включает три камеры. Однако, блок предварительной сепарации может включать более трех камер или также может включать только первую и вторую камеры. Один из таких вариантов его осуществления показан на фиг. 3. Блок 26 предварительной сепарации почти идентичен блоку предварительной сепарации, показанному на фиг. 2, за исключением того, что он включает только первую камеру 29, имеющую объем V1, и вторую камеру 30, имеющую объем V2, при этом, V2>V1. Кроме того, первая и вторая камеры разделены промежуточной стенкой 31 со сквозным отверстием 32 для газа.
Блок предварительной сепарации может быть объединен с центробежным сепаратором различными путями в зависимости, например, от имеющегося пространства для установки, с получением сепарирующей системы.
На фиг. 4 в сечении показан вариант осуществления сепарирующей системы 41, включающей центробежный сепаратор 1 и блок 26 предварительной сепарации. В этом варианте осуществления системы центробежный сепаратор 1 соответствует показанному на фиг. 1, а блок 26 предварительной сепарации - показанному на фиг. 2. Для ясности на фиг. 4 показан только контур сепаратора 1, и отличительные особенности, изображенные и описанные в отношении фиг. 1, не показаны. Блок 26 предварительной сепарации функционирует как единый съемный блок, который может быть установлен на центробежном сепараторе. Выпуск 38 блока предварительной сепарации соединяется со впускным трубопроводом 17 центробежного сепаратора 1 посредством соединения 42. Площадь А2 поперечного сечения впуска 27 блока предварительной сепарации больше площади А1 впуска газа центробежного сепаратора. Как показано на фиг. 4, площадь А3 поперечного сечения выпуска 28 блока предварительной сепарации, по существу, равна площади поперечного сечения впускного трубопровода 17. Кроме того, блок 26 предварительной сепарации расположен относительно центробежного сепаратора 1 так, что ось Х1, описанная со ссылкой на фиг. 2 выше, по существу, совпадает с осью Х вращения центробежного сепаратора. Кроме того, впуск 27 блока 26 предварительной сепарации соединен по потоку с кожухом 20 турбинного колеса центробежного сепаратора 1, что означает, что подлежащий очистке газ направляется из кожуха 20 турбинного колеса центробежного сепаратора 1, как показано на фиг. 4 стрелкой «В», через впуск 27 блока предварительной сепарации, затем через первую камеру 29, третью камеру 35 и вторую камеру 30 блока 26 предварительной сепарации, после чего выходит через выпуск 28 блока предварительной сепарации и поступает во впускной трубопровод 17 центробежного сепаратора 1. В качестве альтернативы, впуск 27 блока 26 предварительной сепарации может быть смонтирован непосредственно на блоке цилиндров двигателя.
Кроме того, в качестве альтернативы варианту осуществления изобретения, показанному на фиг. 4, коническая вторая камера 30 блока 26 предварительной сепарации может составлять единое целое со стационарным корпусом 2 центробежного сепаратора 1.
Сепарирующая система 41 может быть установлена на двигателе так, чтобы отверстие 43 было обращено к блоку цилиндров или соединению с блоком цилиндров.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 1, вращающийся элемент 7 для очистки газа снабжен набором конических сепарационных дисков обычного типа. Однако, изобретение не ограничивается вращающимся элементом или центробежным ротором именно этого типа, напротив, может быть использовано применительно к любому надлежащему центробежному ротору, предназначенному для отделения газа от суспендированных в нем частиц.
На фиг. 5a-d показано несколько примеров разделительных элементов, которые могут быть использованы в центробежном сепараторе настоящего изобретения. Для ясности показано только несколько дисков, и следует понимать, что в реальности имеет место большее количество дисков, и расстояние между дисками намного меньше.
На фиг. 5а показан пример дисков 44 в форме усеченного конуса, в которых имеется плоская часть 9а и коническая часть 9b. Плоская часть 9а расположена в плоскости, перпендикулярной оси вращения (Х), коническая часть 9b в этом варианте осуществления направлена вверх. Плоская часть 9а находится ближе к оси вращения, чем коническая часть 9b. Плоская часть 9а и/или коническая часть 9b могут включать сквозные отверстия для газа.
На фиг. 5b показан пример дисков 44 в форме усеченного конуса, в которых имеется плоская часть 9а и коническая часть 9b. Плоская часть 9а расположена в плоскости, перпендикулярной оси вращения (Х), коническая часть 9b в этом варианте осуществления направлена вниз. Плоская часть 9а находится ближе к оси вращения, чем коническая часть 9b. Плоская часть 9а и/или коническая часть 9b могут включать сквозные отверстия для газа.
На фиг. 5с показан пример набора дисков, в котором диски 45 являются плоскими, т.е., все диски 45 лежат в плоскости, перпендикулярной оси вращения (Х). Диски 45 могут включать сквозные отверстия для газа.
На фиг. 5d показан пример осевых дисков или пластин 46. Пластины 46 немного изогнуты, т.е., они имеют дугообразную форму в радиальной плоскости. Другими словами, они имеют дугообразную форму в плоскости, перпендикулярной оси вращения (Х). Осевые диски 46 могут включать сквозные отверстия для газа.
Изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами своего осуществления и может быть изменено и модифицировано в рамках объема прилагаемой формулы изобретения. Изобретение не ограничивается ориентацией оси вращения (Х), показанной на фигурах. Термин «центробежный сепаратор» также охватывает центробежные сепараторы, по существу, с горизонтально ориентированной осью вращения.