САМОБАЛАНСИРУЮЩИЙСЯ БАРАБАН ЦЕНТРОБЕЖНОГО СЕПАРАТОРА

Самобалансирующийся барабан центробежного сепаратора
Полезная модель относится к оборудованию для разделения на фракции жидких смесей и очистки их от твердых загрязняющих частиц в поле действия центробежных сил и может быть использована в роторных механизмах с вертикальной осью вращения, преимущественно в сепараторах самого различного назначения (топливных, масляных, молочных, пищевой очистки, мясопереработки и пр.), рабочий процесс которых производится на скоростях вращения ротора в диапазоне его закритических (резонансных) оборотов.
Центробежные сепараторы по своему принципу действия допускают появление и накопление в процессе работы неуравновешенности рабочего органа - барабана сепаратора. Кроме того, опыт эксплуатации сепараторов показал, что любые регламентные, профилактические или ремонтные работы, связанные с разборкой барабана (чистка полостей и каналов, замена прокладок, уплотнительных колец, регулировочных шайб и пр.) неизбежно сопровождаются изменением исходного уровня сбалансированности барабана.
Неуравновешенность барабана порождает вибрацию, которая создает дополнительную динамическую нагрузку на подшипники опор вертикального вала сепаратора, а достигнув определенного уровня, затрудняет процесс разделения фракций, создает утечки жидкости между разделенными зонами, приводит к повышению энергопотребления, шумности и т.д.
Внутри корпуса барабана сепаратора размещается комплекс сложных систем, обеспечивающих поступление, распределение и разделение на фракции жидкой смеси, отвод разделенных фракций, очистку периферийной зоны барабана от шлама и др. Эти системы, находящиеся на вращающемся роторе, требуют герметизированных сопряжений с соответствующими системами и магистралями на неподвижном корпусе сепаратора. Надежность этих сопряжений может быть обеспечена только при низком уровне вибрации барабана, что предопределяет необходимость его постоянного самобалансирования.
Поскольку область применения сепараторов и подобных им по принципу действия устройств достаточно широка, накоплен большой опыт их эксплуатации и существуют различные способы снижения негативного воздействия вибрации рабочего органа.
Известны устройства для автоматического вмешательства в работу сепаратора при превышении допустимых уровней вибрации барабана, использующие датчики вибрации, по команде которых специальные заполнительные системы переводят сепаратор в режим полной остановки барабана (патент США №4099667, публикация 1978 г) или производят плавное снижение скорости вращения барабана. Например, заполнением пеной пространства между барабаном и кожухом корпуса сепаратора (патент США 7070553, публикация 2006 г.).
Недостаток таких устройств заключается в том, что будучи эффективными в предаварийных ситуациях, они не способствуют снижению вероятности возникновения этих ситуаций и не позволяют оперативно установить причины неисправностей.
Известен другой, более рациональный подход, примененный в центрифугах и дробильных установках, направленный на устранение основной причины возникновения вибрации - неуравновешенности рабочего органа - с помощью установки на вал с рабочим органом балансирующих устройств типа пассивных или активных автобалансиров (патент РФ №2259238, публикация 2003 г., патент РФ №2302295, публикация 2005 г., патент РФ №2147733, публикация 1999 г., патент РФ №2148438, публикация 1999 г.).
Недостатком известных балансирующих устройств является сложность их конструкций, которые к тому же требуют для своего размещения значительного дополнительного пространства на роторе, что для многих видов промышленного оборудования с отлаженной технологией серийного производства (например, для сепараторов) оказывается неприемлемым как по экономическим, так и по техническим соображениям.
В качестве прототипа полезной модели выбран барабан серийно производимого судового топливного центробежного сепаратора серии WHPX фирмы «Лаваль» (Э.В.Корнилов и др., «Судовые сепараторы», Одесса, студия «Негоциант», 2005 г., стр.14-55).
Барабан смонтирован на консоли верхней части вертикального вала, закрепленного в неподвижном корпусе сепаратора двумя подшипниковыми опорами. Верхняя подшипниковая опора вала подпружинена, нижняя - упорная. Вал с барабаном приводится во вращение электродвигателем, привод которого соединен с валом в промежутке между подшипниковыми опорами. Корпус барабана, представляющий из себя тело вращения, состоит из основания и крышки, соединенных вместе большой кольцевой гайкой. Внутри корпуса барабана размещены и вращаются вместе с ним системы, обеспечивающие сепарацию и очистку жидкой смеси. На горловине корпуса барабана сверху закрепляется малая кольцевая гайка, фиксирующая в осевом направлении неподвижные магистрали подвода жидкой смеси и отвода разделенных фракций.
Технической задачей, для решения которой предназначена заявляемая полезная модель, является снижение уровня вибрации вращающегося барабана сепаратора путем организации процесса автоматической компенсации его неуравновешенности с помощью конструктивно простого и компактного устройства, закрепляемого в функционально свободной (нерабочей) зоне на внешней поверхности корпуса барабана.
Сущность предложенной полезной модели заключается в следующем.
Барабан центробежного сепаратора содержит корпус, смонтированный на консоли верхней части вертикально вращающегося вала, закрепленного в неподвижной станине сепаратора двумя подшипниковыми опорами, верхняя из которых подпружинена. Корпус барабана включает в себя основание, крышку, соединяющую их большую кольцевую гайку, а также гайку, установленную на горловине корпуса. Барабан содержит балансирующее устройство для автоматической компенсации небаланса барабана при его вращении в диапазоне закритических скоростей, выполненное в виде концентрично расположенной относительно оси вращения барабана замкнутой кольцевой камеры, имеющей внутреннюю кольцевую полость прямоугольного поперечного сечения, в которой размещен комплект стальных шариков малого диаметра. Шарики размещены в кольцевой полости с возможностью свободного перемещения по внешней стенке кольцевой полости в два и боле ряда, при этом при плотном размещении шариков в кольцевой полости в один слой они занимают не более половины площади поверхности ее внешней стенки.
Кольцевая камера балансирующего устройства может быть размещена на большой кольцевой гайке, соединяющей крышку корпуса барабана с его основанием, на внешней поверхности крышки корпуса барабана в любой ее функционально свободной (нерабочей) зоне, а также на гайке горловины корпуса барабана.
Кольцевая камера с замкнутой кольцевой полостью может изготавливаться в виде отдельной детали, присоединяемой к барабану, или формироваться непосредственно конструкцией профиля крышки корпуса барабана, большой кольцевой гайки, или гайки горловины барабана.
На фиг.1 схематично изображен предлагаемый барабан сепаратора с элементами его закрепления и кинематики и с указанием мест возможного размещения кольцевой камеры; на фиг.2 изображена кольцевая камера и расположение шариков-противовесов в кольцевой полости при невращающемся барабане; на фиг.3 - разрез АА на фиг.2 с учетом вращения барабана; на фиг.4 - положение шариков-противовесов в финальной стадии процесса компенсации дисбаланса вращающегося барабана.
Барабан включает в себя корпус 1, состоящий из основания 2, крышки 3 и соединяющей их большой кольцевой гайки 4, гайку 5 горловины 6 корпуса, фиксирующую в осевом направлении неподвижные магистрали подвода жидкой смеси и отвода разделенных фракций.
Корпус барабана смонтирован на консоли верхней части вертикального вала 7, закрепленного в неподвижном корпусе сепаратора двумя подшипниковыми опорами 8, 9. Верхняя подшипниковая опора 8 вала подпружинена, нижняя 9 - упорная.
Элементы сепаратора, размещенные внутри барабана и вращающиеся вместе с ним на консоли вертикального вала вместе с корпусом, на чертеже не показаны.
Барабан сепаратора содержит устройство для автоматической компенсации дисбаланса барабана при его вращении в диапазоне закритических скоростей, выполненное в виде расположенной концентрично оси вращения барабана кольцевой камеры 10 с внутренней замкнутой кольцевой полостью 11 и размещенными в ней стальными шариками-противовесами 12.
Кольцевая полость 10, имеющая прямоугольное поперечное сечение и гладкую внутреннюю поверхность, заполнена комплектом стальных шариков-противовесов 12 так, что при плотном расположении в один слой на внешней стенке (ободе) полости 12 шарики-противовесы 12 занимают не более половины площади ее поверхности.
Высота кольцевой полости 10 обеспечивает свободное движение шариков 12 по ободу в два и более ряда.
В исходном положении до начала вращения барабана шарики находятся в нижней части кольцевой полости, располагаясь случайным образом. С началом вращения барабана силой трения о стенки шарики вовлекаются в движение и под действием центробежного ускорения переходят с нижней стенки на вертикальную внешнюю стенку полости и приобретают возможность свободно двигаться по ней в несколько рядов независимо друг от друга.
После достижения ротором критических (резонансных) оборотов взаимодействие обода с шариками-противовесами при наличии дисбаланса барабана порождает балансирующие силы, стремящиеся переместить противовесы по ободу из любого положения в зону контрдисбаланса. В начальной стадии этого процесса шарики занимают случайные положения и потому обладают максимально возможной подвижностью. В поле балансирующих сил шарики начинают быстро двигаться в зону контрдисбаланса, образуя два встречных потока. Столкновение потоков происходит в зоне контрдисбаланса и порождает там лавинообразное многократное соударение шариков друг с другом и с боковыми стенками полости. За счет потерь энергии на деформацию материала шариков при их соударениях происходит быстрая остановка шариков-противовесов (демпфирование «релейного» типа) и накопление уравновешивающей дисбаланс массы в зоне контрдисбаланса.
Одновременно поле балансирующих сил ослабевает до нуля, и шарики, не вошедшие в балансирующую группу, останавливаются на ободе, занимая случайные положения, не нарушающие в целом достигнутого уравновешивания барабана.
Это положение шариков-противовесов сохраняется неизменным при вращении барабана с различными скоростями как при дальнейшем разгоне ротора до рабочих оборотов, так и при его торможении вплоть до почти полной остановки. Однако, в случае разбалансировки барабана во время его вращения в закритической области скоростей автоматически происходит соответствующее изменение положения и состава балансирующей группы шариков-противовесов, восстанавливающее балансировку барабана.
Количество и параметры шариков-противовесов, достаточное по своей массе для компенсации заданного максимально возможного дисбаланса барабана, определяется расчетным путем и может содержать от нескольких десятков до нескольких сотен шариков.
Прямоугольная форма поперечного сечения кольцевой полости делает балансирующее устройство простым в изготовлении и позволяет, используя шарики малого диаметра, обеспечить его компактность, что, в свою очередь, значительно расширяет возможности размещения устройства на барабане центробежного сепаратора без заметного вмешательства в его исходную конструкцию.