ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ СЕПАРАТОР
CENTRIFUGAL SEPARATOR

Область техники и предпосылки создания изобретения
Настоящее изобретение относится к центробежному сепаратору согласно преамбуле пункта 1 формулы изобретения.
Существует необходимость в эффективных механических уплотнениях в центробежных сепараторах в нескольких различных позициях, т.е. механических уплотнениях, которые подходят для герметизации промежутка между вращающейся частью сепаратора и неподвижной частью сепаратора, или между двумя вращающимися частями сепаратора, которые вращаются с разными скоростями, например, в декантирующих центрифугах.
Например, в так называемых герметичных центробежных сепараторах механическое уплотнение требуется между вращающимся ротором центрифуги и неподвижной впускной и/или выпускной трубой, продолжающейся внутрь центробежного ротора. Кроме того, одно или более механических уплотнений требуются между неподвижным соединительным корпусом и вращающейся впускной и/или выпускной трубой, присоединенной к центробежному ротору и сообщающейся с его внутренней частью.
Одной из проблем, связанных с существующими механическими уплотнениями, является обеспечение достаточного упорного усилия между двумя поверхностями контакта, чтобы получить эффективное уплотнение промежутка в любых рабочих условиях. Еще одной проблемой, связанной с существующими механическими уплотнениями, является их износ. В частности, при запуске центробежного сепаратора, перед тем, как в механическое уплотнение попадет жидкость, поверхности контакта уплотнения скользят друг по другу всухую, что означает высокую степень износа. Для решения данной проблемы требуется дорогостоящее оборудование, предназначенное для подачи уплотняющей жидкости в механическое уплотнение. Во многих случаях применения, таких как сепарация пищевых продуктов, одновременно предъявляются высокие требования по гигиене. Следовательно, необходимо иметь возможность одновременной очистки всех поверхностей, контактирующих с продуктом, посредством так называемой безразборной мойки (CIP).
Предшествующий уровень техники
В US-А-4846728 раскрыт центробежный сепаратор, содержащий первую неподвижную часть в виде неподвижного корпуса и вторую часть, содержащую центробежный ротор. Центробежный ротор не вращается в состоянии покоя и вращается в рабочем состоянии вокруг оси вращения, с заданной скоростью, относительно неподвижного корпуса. В соединении между корпусом и центробежным ротором обеспечен промежуток, в котором в рабочем состоянии размещено жидкое тело из вращающейся жидкости, представляющее собой определенную среду. Механическое уплотнительное устройство обеспечено в промежутке для его герметизации. Механическое уплотнительное устройство содержит первый уплотнительный элемент, обеспеченный на корпусе и снабженный первой поверхностью контакта, и второй уплотнительный элемент, обеспеченный на центробежном роторе и снабженный второй поверхностью контакта, которая параллельная первой поверхности контакта. Первая и вторая поверхности контакта упираются друг в друга в процессе работы. Механическое уплотнительное устройство имеет такую конструкцию, что вращающееся тело в процессе работы действует на второй уплотнительный элемент таким образом, что вторая поверхность контакта прижимается к первой поверхности контакта упорным усилием.
Сущность изобретения
Технической задачей изобретения является решение вышеупомянутых проблем и создание центробежного сепаратора с усовершенствованным механическим уплотнением. Более конкретно, задачей изобретения является создание центробежного сепаратора с усовершенствованным механическим уплотнением с увеличенным сроком службы и надлежащей герметизирующей способностью.
Данная задача решается с помощью центробежного сепаратора, определенного в начале, отличающегося тем, что механическое уплотнительное устройство содержит элемент предварительного натяжения, воздействующий усилием предварительного натяжения на смещаемый в осевом направлении уплотнительный элемент, причем данное усилие предварительного натяжения смещает первую поверхность контакта и вторую поверхность контакта относительно друг друга, а также тем, что усилие предварительного натяжения настолько велико, что между первой и второй поверхностями контакта в состоянии покоя образуется зазор, и этот зазор имеет такие размеры, что образует дроссель.
Посредством данного элемента предварительного натяжения можно обеспечить две поверхности контакта таким образом, что они не будут контактировать друг с другом в состоянии покоя, т.е. когда две части сепаратора не вращаются относительно друг друга, и в исходном состоянии, когда разность скоростей двух частей сепаратора относительно мала, и жидкость вращающегося жидкого тела еще не достигла поверхностей контакта. Следовательно, износ уплотнительных элементов в данном исходном состоянии может быть уменьшен. Изобретение также позволяет обеспечить эффективную очистку механического уплотнительного устройства, так как центробежный сепаратор во время очистки можно запустить с таким малым числом оборотов, что поверхности контакта не будут упираться друг в друга. Затем можно пропустить промывочную жидкость между поверхностями контакта и очистить, тем самым, заднюю сторону уплотнительного устройства. Кроме того, зазор гарантирует, что поверхности контакта не будут контактировать друг с другом в состоянии покоя и в исходном состоянии, когда относительное вращение между частями сепаратора отсутствует или происходит очень медленно. Когда вторая часть сепаратора, содержащая центробежный ротор, ускоряется относительно состояния покоя и исходного состояния, дроссель обеспечивает падение давления жидкости вращающегося жидкого тела, достигающего зазора и протекающего сквозь него. Благодаря данному падению давления усиливается действие упорного усилия, вырабатываемого жидким телом.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения элемент предварительного натяжения проходит вокруг оси х вращения. Элемент предварительного натяжения может состоять из кольцевой пружины любой конструкции, обеспечивающей необходимое усилие предварительного натяжения. Элемент предварительного натяжения также может быть образован кольцевым поршнем и т.п., действующим на смещаемый уплотнительный элемент и, в свою очередь, приводимым в движение гидравлическим, пневматическим или электрическим приводом. Однако следует отметить, что элемент предварительного натяжения также может быть образован множеством отдельных элементов предварительного натяжения, таких как винтовые пружины, гидравлические или пневматические поршни и т.д.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения элемент предварительного натяжения проходит в выемке, которая обеспечена в смещаемом в осевом направлении уплотнительном элементе и продолжается вокруг оси х вращения. Кроме того, элемент предварительного натяжения может проходить в выемке, обеспеченной в первой или второй части сепаратора, в которой обеспечен смещаемый уплотнительный элемент.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения кольцевое уплотнение продолжается вокруг оси х вращения, причем кольцевое уплотнение обеспечено между смещаемым в осевом направлении уплотнительным элементом и одной из частей сепаратора - первой или второй, на которой обеспечен смещаемый уплотнительный элемент. Кольцевое уплотнение предпочтительно может образовывать элемент предварительного натяжения. Элемент предварительного натяжения может быть изготовлен из эластомерного материала. Такой материал с эластичными свойствами может обеспечивать усилие предварительного натяжения и одновременно с этим герметизировать осевой кольцевой зазор между смещаемым в осевом направлении уплотнительным элементом и одной из частей сепаратора - первой или второй, на которой обеспечен смещаемый уплотнительный элемент.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения смещаемый в осевом направлении первый уплотнительный элемент имеет первую нажимную поверхность, обращенную к указанному пространству и от своей поверхности контакта и имеющую первый поверхностный участок, проецируемый на радиальную плоскость, а также, возможно, вторую нажимную поверхность, обращенную к пространству и от своей поверхности контакта и имеющую второй поверхностный участок, проецируемый на радиальную плоскость. Жидкое тело может, таким образом, воздействовать на первую нажимную поверхность, создавая нужное упорное усилие; следует отметить, что вторая нажимная поверхность может иметь поверхностный участок, площадь которого равна нулю. Первый поверхностный участок, однако, предпочтительно больше второго поверхностного участка. Кроме того, следует отметить, что радиальное положение нажимных поверхностей влияет на воздействие жидкого тела, т.е. величину упорного усилия.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения первая часть сепаратора содержит, по меньшей мере, один канал для подачи среды в центробежный ротор и/или вывода ее оттуда. Такой канал может быть образован впускным и/или выпускным элементом, который может быть неподвижным или вращающимся.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения первая часть сепаратора неподвижна. Например, первая часть сепаратора может содержать неподвижный корпус, в котором заключен центробежный ротор. Первая часть сепаратора также может содержать неподвижный соединительный элемент, в котором заключен вращающийся впускной и/или выпускной элемент второй части сепаратора, при этом впускной и/или выпускной элемент образует, по меньшей мере, один канал для подачи среды в центробежный ротор и/или вывода ее оттуда.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение будет теперь более подробно разъяснено при помощи описания различных вариантов осуществления, выполненного со ссылками на прилагаемые чертежи.
На Фиг.1 схематично представлен центробежный сепаратор согласно первому варианту осуществления изобретения.
На Фиг.2 схематично представлен центробежный сепаратор согласно второму варианту осуществления изобретения.
На Фиг.3 схематично представлен центробежный сепаратор согласно третьему варианту осуществления изобретения.
На Фиг.4 схематично представлен центробежный сепаратор согласно четвертому варианту осуществления изобретения.
На Фиг.5 схематично показано первое исполнение механического уплотнительного устройства центробежного сепаратора.
На Фиг.6 схематично показано второе исполнение механического уплотнительного устройства центробежного сепаратора.
На Фиг.7 схематично показано третье исполнение механического уплотнительного устройства центробежного сепаратора.
На Фиг.8 схематично показано четвертое исполнение механического уплотнительного устройства центробежного сепаратора.
Подробное описание различных вариантов осуществления изобретения
На Фиг.1 схематично показан центробежный сепаратор для сепарации, по меньшей мере, двух фаз среды. Центробежный сепаратор содержит первую часть 1 и вторую часть 2.
Согласно первому варианту осуществления первая часть 1 содержит неподвижный корпус 10 и неподвижный впускной и/или выпускной элемент 11, который содержит первую трубу 12, заключающую в себе первый канал 13 для подачи сепарируемой среды, вторую трубу 14, в которой заключен второй канал 15 для выпуска относительно легкой фазы среды, и третью трубу 16, в которой заключен третий канал 17 для выпуска относительно тяжелой фазы среды.
Вторая часть 2 сепаратора содержит центробежный ротор 18 и шпиндель 19, вращающиеся вокруг оси х вращения посредством подходящего приводного элемента 20, например, электродвигателя. Вторая часть 2 сепаратора, т.е. центробежный ротор 18, приводится в движение с заданной высокой скоростью вращения посредством приводного элемента 20 в рабочем состоянии. Скорость вращения, конечно, может варьироваться в зависимости от сепарируемой среды и на различных стадиях сепарации. В состоянии покоя вторая часть 2 сепаратора не вращается. В исходном состоянии центробежный сепаратор запускают, при этом вторая часть 2 сепаратора ускоряется.
Впускной и/или выпускной элемент 11 проходит согласно первому варианту осуществления вдоль оси х вращения и в центробежный ротор сверху, если смотреть на центробежный сепаратор в нормальном эксплуатационном положении.
Центробежный ротор 18 заключает в себе впускную камеру 21, выпускную камеру 22 для легкой фазы и выпускную камеру 23 для тяжелой фазы. Центробежный ротор 18 также содержит известным, по существу, образом набор вращающихся сепарационных дисков 20, обеспеченных между первым ограничительным диском 25 и вторым ограничительным диском 26. В описанных вариантах осуществления диски 24-26 имеют коническую форму.
Три камеры 21, 22, 23 образуют соответствующий промежуток 28 (см. Фиг.5), связанный с первой частью 1 сепаратора, т.е. согласно первому варианту осуществления с неподвижными трубами 12, 14 и 16, и со второй частью 2 сепаратора, т.е. согласно первому варианту осуществления с центробежным ротором 18 и вращающимися дисками 24, 25 и 26.
Во время работы центробежного сепаратора, т.е. в рабочем состоянии, вращающееся жидкое тело 29 образуется в каждом из данных пространств 28, образуемых тремя камерами 21, 22 и 23.
Центробежный сепаратор содержит три механических уплотнительных устройства 30, которые схематично представлены на Фиг.1 и обеспечены в каждом из упомянутых пространств 28, образованных тремя камерами 21, 22 и 23. Данные механические уплотнительные устройства 30 обеспечивают герметизацию соответствующего пространства 28 таким образом, что жидкость вращающегося жидкого тела 29 не может передаваться наружу из соответствующего пространства 28 нежелательным образом. Механическое уплотнительное устройство более подробно описано далее в связи с Фиг.5-8.
На Фиг.2 представлен второй вариант осуществления, отличающийся от первого варианта тем, что впускной и/или выпускной элемент 11 проходит вдоль оси х вращения в центробежный ротор сверху, если смотреть на центробежный сепаратор в нормальном эксплуатационном положении. Приводной элемент 20 не показан на Фиг.2. Следует отметить, что одинаковые номера ссылочных позиций были использованы для элементов и частей, выполняющих одинаковую или практически одинаковую функцию в различных описанных вариантах осуществления и исполнения.
На Фиг.3 представлен третий вариант осуществления, отличающийся от первого варианта тем, что впускной и/или выпускной элемент 11 неподвижно присоединен к вращающемуся центробежному ротору 18. В неподвижном соединительном элементе 40 заключен вращающийся впускной и/или выпускной элемент 11. Соединительный элемент 40 образует три отдельных канала 43, 45 и 47, сообщающихся с соответствующим каналом 13, 15 и 17 впускного и/или выпускного элемента 11. Аналогичным образом, как и в первых двух вариантах осуществления, соответствующие пространства 28 (см. Фиг.5) образованы в соединении с каналами 13 и 43, каналами 15 и 45 и каналами 17 и 47. Во время работы центробежного сепаратора, т.е. в рабочем состоянии, вращающееся жидкое тело 2 (см. Фиг.5) образуется в каждом из данных пространств 28. Кроме того, третий вариант осуществления содержит три механических уплотнительных устройства 30, которые схематично представлены на Фиг.3 и обеспечены в каждом из упомянутых пространств 28. Кроме того, в данном случае механическое уплотнительное устройство 30 обеспечивает герметизацию соответствующего пространства 28 таким образом, что жидкость вращающегося жидкого тела 29 не может передаваться наружу из соответствующего пространства 28 нежелательным образом.
На фиг.4 представлен четвертый вариант осуществления, отличающийся от третьего варианта тем, что впускной и/или выпускной элемент 11 проходит согласно первому варианту осуществления вдоль оси х вращения в центробежный ротор 18 сверху, если смотреть на центробежный сепаратор в нормальном эксплуатационном положении, и тем, что соединительный элемент 40 обеспечен с нижней стороны корпуса 10. Приводной элемент 20 не показан на Фиг.4. Следует отметить, что впускной и/или выпускной элемент 11 может быть образован шпинделем, обеспечивающим опору для центробежного ротора и присоединенным к приводному двигателю.
Первое исполнение механического уплотнительного устройства 30 представлено на Фиг.5. Механическое уплотнительное устройство 30 содержит первый уплотнительный элемент 51 и второй уплотнительный элемент 52. Первый уплотнительный элемент 51 имеет форму кольца и обеспечен на первой части 1 сепаратора (сравни Фиг.1 и 2) таким образом, что проходит вокруг оси х вращения. Второй соединительный элемент 52 тоже имеет форму кольца и обеспечен на второй части 2 сепаратора таким образом, что проходит вокруг оси х вращения. Первый уплотнительный элемент 51 содержит первую кольцевую поверхность 53 контакта, а второй уплотнительный элемент 53 содержит вторую кольцевую поверхность 54 контакта, параллельную первой поверхности контакта. На Фиг.5 контактные поверхности параллельны радиальной плоскости. Однако следует отметить, что две параллельные поверхности 53 и 54 контакта могут иметь форму, близкую к конической.
Механическое уплотнительное устройство 30 имеет такую конструкцию, что вращающееся жидкое тело 29 в процессе работы действует на первый уплотнительный элемент 51 и второй уплотнительный элемент 52 и смещает последний по оси таким образом, что первая поверхность 53 контакта и вторая поверхность 54 контакта прижимаются друг к другу упорным усилием. На Фиг.5 конструкция механического уплотнительного устройства 30 такова, что жидкое тело 29 действует на первый уплотнительный элемент 51.
Механическое уплотнительное устройство 30 содержит элемент 56 предварительного натяжения, расположенный таким образом, чтобы воздействовать усилием предварительного натяжения на смещаемый в осевом направлении уплотнительный элемент; на Фиг.5 это первый уплотнительный элемент 51. Усилие предварительного натяжения, действующее со стороны элемента 56 предварительного натяжения, смещает первую поверхность 53 контакта и вторую поверхность 54 контакта относительно друг друга. Усилие предварительного натяжения так велико, что зазор 57, проиллюстрированный на Фиг.8, образуется между первой поверхностью 53 контакта и второй поверхностью 54 контакта в состоянии покоя, т.е. когда центробежный ротор 18 не вращается, и в исходном состоянии. Таким образом, в данных состояниях нет вращающегося жидкого тела 29, которое действует на смещаемый в осевом направлении уплотнительный элемент 51 и которое может обеспечить смазывание поверхностей 53, 54 контакта. Кроме того, размеры зазора 57 таковы, что он образует дроссель. Когда центробежный ротор 18 ускоряется относительно состояния покоя и исходного состояния, дроссель обеспечивает падение давления жидкости вращающегося жидкого тела 29, достигающего зазора 57 и протекающего сквозь него. Благодаря данному падению давления пространство 28 заполняется и, следовательно, действие упорного усилия, вырабатываемого жидким телом 29, усиливается.
На Фиг.5 элемент 56 предварительного натяжения имеет кольцевую форму и проходит вокруг оси х вращения. Элемент 56 предварительного натяжения продолжается в выемке 58, обеспеченной в первом уплотнительном элементе 51, представляющем собой смещаемый в осевом направлении уплотнительный элемент. Выемка 58 также проходит вокруг оси х вращения. Элемент 56 предварительного натяжения также продолжается в выемке 59, обеспеченной во второй части 2 сепаратора, на которой обеспечен первый уплотнительный элемент 51. Выемка 59 на Фиг.5 имеет форму буртика. Выемка 58 в осевом направлении длиннее элемента 56 предварительного натяжения, обеспеченного в выемке 58.
Механическое уплотнительное устройство 30 также содержит кольцевое уплотнение, продолжающееся вокруг оси х вращения и обеспеченное между смещаемым в осевом направлении первым уплотнительным элементом 31 и второй частью 2 сепаратора. На Фиг.5 кольцевое уплотнение образовано элементом 56 предварительного натяжения, изготовленным из эластомерного материала, например, из любого подходящего полимерного материала либо натуральной или синтетической резины. На Фиг.5 также показано стопорное кольцо 60, ограничивающее осевое смещение первого уплотнительного элемента 51, т.е. определяющее максимальный размер зазора 57.
Смещаемый в осевом направлении первый уплотнительный элемент 51 имеет первую нажимную поверхность 61, обращенную к пространству 28 и от поверхности контакта 53, имеющую первый поверхностный участок, проецируемый на радиальную плоскость. Кроме того, первый уплотнительный элемент 51 имеет вторую нажимную поверхность 62, обращенную к пространству 28 и к поверхности контакта 53, имеющую второй поверхностный участок, проецируемый на радиальную плоскость. Первый поверхностный участок больше второго поверхностного участка, что на Фиг.5 означает, что результирующее усилие, прикладываемое со стороны вращающегося жидкого тела 29, прижимает первый уплотнительный элемент 51 ко второму уплотнительному элементу 52.
На Фиг.6 показано второе исполнение механического уплотнительного устройства 30. Первый уплотнительный элемент 51, обеспеченный на первой части 1 сепаратора (Фиг.3 и 4), может представлять собой смещаемый в осевом направлении уплотнительный элемент. Второй уплотнительный элемент 2 обеспечен на второй части 2 сепаратора, не показанной на Фиг.6. Первый уплотнительный элемент 51 в данном исполнении содержит опорный элемент 71, неподвижно присоединенный к первой части 1 сепаратора. Элемент 56 предварительного натяжения обеспечен между неподвижным опорным элементом и первым уплотнительным элементом 51. Элемент 56 предварительного натяжения содержит пружину 72 растяжения, действующую тяговым усилием на первый уплотнительный элемент 51, причем это усилие оттягивает первый уплотнительный элемент 51 от второго уплотнительного элемента 52. Пружина 72 натяжения может представлять собой кольцевую винтовую пружину, проходящую вокруг оси вращения, или множество винтовых пружин, параллельно расположенных вокруг оси х вращения. На Фиг.6 представлено отдельное кольцевое уплотнение 73, обеспечивающее лишь функцию уплотнения. Первый уплотнительный элемент 51 также содержит буртик 74, образующий стопорный элемент, взаимодействующий с буртиком 75 первой части 1 сепаратора и ограничивающий смещение первого уплотнительного элемента 51 и, следовательно, максимальный размер зазора 57.
На Фиг.7 показано третье исполнение механического уплотнительного устройства 30. Первый уплотнительный элемент 51, обеспеченный на первой части 1 сепаратора (Фиг.1 и 2), может состоять из смещаемого в осевом направлении уплотнительного элемента. Второй уплотнительный элемент 52 обеспечен на второй части 2 сепаратора, не показанной на Фиг.7. Первый уплотнительный элемент 51 в третьем исполнении содержит опорный элемент 71, неподвижно присоединенный к первой части 1 сепаратора. Элемент 56 предварительного натяжения обеспечен между неподвижным опорным элементом 71 и первым уплотнительным элементом 51. Элемент 56 предварительного натяжения содержит пружину 82 типа "гармошки", воздействующую тяговым усилием на первый уплотнительный элемент 51, причем это усилие оттягивает первый уплотнительный элемент 51 от второго уплотнительного элемента 52. Пружина 82 типа "гармошки" проходит вокруг оси х вращения. На Фиг.7 представлено отдельное кольцевое уплотнение 73, обеспечивающее лишь функцию уплотнения. Пружина 82 типа "гармошки" может быть изготовлена из металлического материала или эластомерного материала, такого как резина или эластичный полимер. Пружина 82 типа "гармошки" имеет заданную минимальную длину, определяющую максимальный размер зазора 57.
На Фиг.8 показано четвертое исполнение механического уплотнительного устройства 30. Четвертое исполнение отличается от третьего лишь конструкцией элемента 56 предварительного натяжения, который в четвертом исполнении представляет собой втулку 92, охватывающую опорный элемент 71 и смещаемый в осевом направлении уплотнительный элемент. Втулка 92 воздействует тяговым усилием на первый уплотнительный элемент 51, причем это усилие оттягивает первый уплотнительный элемент 51 от второго уплотнительного элемента 52. Втулка 92 проходит вокруг оси х вращения. Втулка 92 предпочтительно может быть изготовлена из эластомерного материала, такого как натуральная или синтетическая резина, или эластичного полимерного материала. Втулка 92 имеет заданную минимальную длину, определяющую максимальный размер зазора 57.
Изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления, его можно менять и модифицировать в рамках прилагаемой формулы изобретения. Следует отметить, что смещаемый в осевом направлении элемент может быть обеспечен на первой части 1 или на второй части 2 сепаратора. В описанных вариантах осуществления все впускные и выпускные элементы имеют одинаковое направление. Однако следует отметить, что могут быть впускные и выпускные элементы, имеющие различное направление. Во всех вариантах осуществления раскрыты герметично закрытые центробежные сепараторы. Изобретение, однако, также применимо в тех случаях, когда, например, герметично закрыт только впускной или выпускной элемент и, например, когда в одном или нескольких выпускных элементах используется элемент для очистки, например, от кожуры. Следует отметить, что раскрытые здесь центробежные сепараторы представлены лишь схематично, и многие известные, по существу, подробности и элементы на чертежах не видны. Например, не показаны радиальные выпускные элементы для выброса осадка, которые обычно присутствуют во многих типах центробежных сепараторов. Механическое уплотнительное устройство может быть применено к множеству различных типов центробежных сепараторов с различными целями.