ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ ОЧИСТКА ЦЕНТРОБЕЖНОГО СЕПАРАТОРА
HIGH-SPEED CLEANING OF CENTRIFUGAL SEPARATOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к области центробежных сепараторов для очистки газа, содержащего жидкие примеси. В частности, настоящее изобретение относится к очистке картерных газов двигателя внутреннего сгорания от частиц масла.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Хорошо известно, что смесь жидкостей, имеющих различные плотности, может быть разделена друг от друга с использованием центробежного сепаратора. Одно конкретное применение такого сепаратора заключается в отделении масла от газа, выпускаемого из картера, образующего часть двигателя внутреннего сгорания.
Что касается этого конкретного использования сепараторов, может быть тенденция к утечке газа высокого давления, находящегося в камерах сгорания двигателя внутреннего сгорания, через соответствующие поршневые кольца в картер двигателя. Эта непрерывная утечка газа в картер может привести к нежелательному увеличению давления в картере и, как следствие, к необходимости выпуска газа из корпуса. Такой газ, выпускаемый из картера, как правило, несет некоторое количество моторного масла (в виде капель или мелкого тумана), которое поднимается из резервуара масла, удерживаемого в картере.
Для того чтобы выпускаемый газ мог быть введен во впускную систему, без введения нежелательного масла (в частности, в систему с турбо наддувом, где на эффективность работы компрессора может отрицательно влиять присутствие масла), необходимо очистить выпускаемый газ (т.е. удалить масло, переносимое газом) до того, как газ будет введен во впускную систему. Этот процесс очистки может осуществляться центробежным сепаратором, который установлен на картере или рядом с ним, и который направляет очищенный газ во впускную систему и направляет отделенное масло обратно в картер. Пример такого сепаратора раскрыт, например, в патенте США 8,657,908.
Такие сепараторы обычно содержат несколько разделительных дисков, например, расположенных в стопке или в виде проходящих в осевом направлении поверхностных пластин, и между такими дисками происходит отделение масла от газа. Однако во время работы сепаратора может возникнуть засорение между такими дисками, что, в свою очередь, снижает эффективность разделения сепаратора.
Таким образом, в данной области техники существует потребность в устройствах, которые предотвращают засорение, и в устройствах для очистки уже засоренных разделительных дисков.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Основной задачей настоящего изобретения является обеспечение центробежного сепаратора для очистки газа, который может предотвращать засорение и уменьшать величину засорений между разделительными дисками.
В качестве первого аспекта изобретения, предусмотрен центробежный сепаратор для очистки газа, содержащего загрязняющие вещества, содержащий:
- неподвижный корпус, закрывающий разделительное пространство, через которое допускается поток газа;
- впуск для газа, проходящий через неподвижный корпус и позволяющий осуществлять подачу газа, который должен быть очищен;
- вращающийся элемент, содержащий множество разделительных элементов, расположенных в разделительном пространстве, и расположенных с возможностью вращения вокруг оси (X) вращения;
- выпуск для газа, выполненный с возможностью выпуска очищенного газа и содержащий выпускное отверстие проходящее через стенку неподвижного корпуса;
- дренажное отверстие, выполненное с возможностью выпуска жидких примесей, отделенных от очищаемого газа;
приводной элемент для вращения вращающегося элемента; и
при этом, центробежный сепаратор дополнительно содержит:
- блок управления, который выполнен с возможностью управления приводным устройством для вращения вращающегося элемента на первой скорости во время фазы разделения и на второй скорости, которая выше, чем первая скорость, во время фазы очистки для устранения засорения на или между разделительными элементами, при этом фаза очистки короче во времени, чем фаза разделения.
Загрязнения в газе могут содержать жидкие примеси, такие как масло и сажа.
Следовательно, центробежный сепаратор может быть предназначен для отделения жидких примесей, таких как масло, от газа. Газ может быть картерным газом двигателя внутреннего сгорания. Однако центробежный сепаратор также может быть пригоден для очистки газов из других источников, например, окружающей среды вблизи механических станков, которая часто содержит большое количество жидких примесей в виде капель масла или масляного тумана.
Неподвижный корпус центробежного сепаратора может содержать окружающую боковую стенку, а также первую и вторую торцевые стенки, которые заключают разделительное пространство. Неподвижный корпус может иметь цилиндрическую форму с круглым сечением, имеющим радиус R от оси (X) вращения до окружающей боковой стенки. Этот радиус R может быть постоянным, по меньшей мере, в отношении большей части окружности окружающей боковой стенки. Неподвижный корпус также может быть слегка коническим. Таким образом, первая и вторая торцевые стенки могут образовывать верхнюю торцевую стенку и нижнюю торцевую стенку корпуса цилиндрической формы.
Впуск для газа центробежного сепаратора может проходить через первую торцевую стенку или через окружающую боковую стенку вблизи первой торцевой стенки, следовательно, в верхней части сепаратора, так что газ, поступающий через впуск для газа, направляется в разделительное пространство. Дренажное отверстие может быть расположено во второй торцевой стенке, например, в нижней части сепаратора. Таким образом, дренажное отверстие может быть расположено по центру в торцевой стенке, противоположной торцевой стенке, через которую или в которой расположен впуск. Дренажное отверстие центробежного сепаратора может быть дополнительно образовано несколькими точечными отверстиями в неподвижном корпусе или одним дренажным проходом. Дренажное отверстие может быть расположено по оси вращения или центрировано по оси вращения. Дренажное отверстие также может находиться в кольцевой канавке для сбора на внутренней торцевой стенке неподвижного корпуса. Выпуск для газа может быть расположен в окружающей боковой стенке неподвижного корпуса или, например, может быть расположен в торцевой стенке, такой как торцевая стенка, противоположная торцевой стенке, через которую или на которой расположен впуск для газа.
Вращающийся элемент выполнен с возможностью вращения во время работы посредством приводного элемента. Вращающийся элемент содержит множество разделительных элементов, расположенных в разделительном пространстве. Разделительные элементы вращающегося элемента являются примерами вставок с расширяющейся поверхностью, которые способствуют отделению загрязняющих веществ от газа. Разделительные элементы могут представлять собой стопку разделительных дисков. Разделительные диски из стопки могут быть в форме усеченного конуса. Диск в форме усеченного конуса может иметь плоский участок, проходящий в плоскости, которая является перпендикулярной оси вращения, и участок в форме усеченного конуса, который может проходить вверх или вниз. Плоский участок может быть ближе к оси вращения, чем участок в форме усеченного конуса. Дополнительно, диски из стопки могут быть радиальными дисками, в которых, по существу, весь диск проходит в плоскости, перпендикулярной оси вращения.
Также следует понимать, что разделительные элементы, такие как разделительные диски, не обязательно должны быть расположены в стопке. Разделительное пространство может, например, содержать осевые диски или пластины, которые проходят вокруг оси вращения. Осевые диски или пластины могут быть плоскими, то есть проходить в плоскостях, параллельных оси вращения. Осевые диски или пластины также могут иметь слегка или значительно изогнутую форму, такую как дугообразная или спиральная форма, если смотреть в радиальной плоскости.
Во время работы, очищаемый газ может направляться центрально через множество разделительных элементов, например, центрально через стопку разделительных дисков. В такой конфигурации, вращающийся элемент может дополнительно образовывать центральное пространство, образованное, по меньшей мере, одним сквозным отверстием в каждом из разделительных элементов. Это центральное пространство соединено с впуском для газа и выполнено с возможностью подачи очищаемого газа из впуска для газа в зазоры между разделительными элементами, например, между зазорами между дисками стопки разделительных дисков. Разделительный диск, который может быть использован в качестве разделительного элемента, может содержать центральный, по существу, плоский участок, перпендикулярный оси вращения. Этот участок может содержать сквозные отверстия, которые образуют центральное пространство.
Таким образом, центробежный сепаратор может быть выполнен с возможностью проведения картерных газов от впуска в центральный участок вращающегося элемента. Таким образом, картерные газы могут быть "прокачаны" от центрального участка вращающегося элемента в промежутки между разделительными дисками в стопке разделительных дисков посредством вращения вращающегося элемента. Таким образом, центробежный сепаратор может работать в соответствии с принципом совпадающего потока, в котором газ протекает в стопку дисков от радиальной внутренней части к радиальной наружной части, который является противоположным сепаратору, работающему в соответствии с принципом противопотока, в котором газ направляется в центробежный ротор на периферии ротора и направляется к центральной части ротора.
Приводной элемент может, например, содержать турбинное колесо, вращаемое посредством струи масла из системы смазочного масла двигателя внутреннего сгорания, или колесо свободной струи, содержащее отдувной диск. Однако приводной элемент также может быть независимым от двигателя внутреннего сгорания и содержать электрический двигатель, гидравлический двигатель или пневматический двигатель.
Центробежный сепаратор дополнительно содержит блок управления, выполненный с возможностью управления скоростью вращения вращающегося элемента через приводное устройство, например, так что может быть получено ограниченное количество скоростей или так, что может быть выполнено непрерывное изменение скорости вращения. Блок управления может содержать процессор и интерфейс ввода/вывода для связи с приводным устройством и для приема информации от других частей сепаратора, таких как датчики, расположенные на сепараторе, и/или, например, от двигателя, к которому подключен или установлен центробежный сепаратор.
Блок управления может дополнительно содержать компьютерные программные продукты, сконфигурированные для переключения между фазой разделения и фазой очистки. Компьютерная программа может быть предназначена для анализа полученной информации, например, от двигателя или датчиков и отправки эксплуатационных запросов на основе такого анализа приводному устройству.
Блок управления, по меньшей мере, может управлять приводным устройством для переключения от первой скорости вращения во время фазы разделения на вторую, более высокую скорость, во время фазы очистки. Первой скоростью во время фазы разделения может быть нормальная рабочая скорость центробежного сепаратора, во время которой происходит непрерывное отделение загрязняющих веществ от газа.
Блок управления также выполнен с возможностью управления устройством привода для увеличения его скорости, то есть для переключения с фазы разделения на фазу очистки. Фаза очистки короче во времени по сравнению с фазой разделения. Во время фазы очистки, засорение, которое застряло между разделительными элементами, может быть удалено. Переключение на фазу очистки может быть выполнено как ступенчатое увеличение скорости до скорости фазы очистки, или оно может быть выполнено как быстрое увеличение скорости до скорости фазы очистки.
Блок управления также выполнен с возможностью управления устройством привода для уменьшения его скорости при переключении от фазы очистки обратно к фазе разделения. Однако фаза разделения может включать в себя работу с различными скоростями вращения, причем все они ниже скорости вращения во время фазы очистки.
Следовательно, центробежный сепаратор согласно изобретению работает в цикле, содержащем фазу разделения и фазу очистки.
Засорение относится к загрязнениям, застрявшим между разделительными элементами, которые препятствуют или мешают потоку газа между разделительными элементами. Засорение может быть вызвано загрязнением газа. Засорение может быть образовано липким веществом и может содержать масло и частицы.
Первый аспект изобретения основан на понимании того, что засорение, которое может возникнуть между разделительными элементами газового сепаратора, может быть устранено с использованием временного увеличения скорости вращения. При увеличении скорости также увеличиваются центробежные силы, действующие на засорение, которое может затем стать свободным и быть вытесненным из разделительных элементов. Таким образом, такое временное повышение центробежной силы может очистить разделительные элементы, например, от масляного тумана и частиц, которые забиваются между разделительными элементами. Дополнительно, увеличение скорости может также предотвратить образование засорения.
В вариантах осуществления первого аспекта изобретения, блок управления выполнен с возможностью переключения с фазы разделения на фазу очистки после заданного периода времени.
Таким образом, блок управления может быть выполнен с возможностью управления приводным устройством для вращения вращающегося элемента на первой скорости в течение заданного времени. По истечении заданного времени в фазе разделения, блок управления может автоматически инициировать фазу очистки, посредством чего устраняется засорение между разделительными элементами. Заданное время может быть установлено оператором вручную. Однако оно также может быть рассчитано по рабочим параметрам центробежного сепаратора, измеренным различными датчиками, такими как датчики, регистрирующие давление на впуске газа и/или выпуске газа из сепаратора.
В вариантах осуществления первого аспекта изобретения, блок управления выполнен с возможностью приема сигнала, который связан с остановкой двигателя, к которому подключен центробежный сепаратор, и при этом блок управления дополнительно выполнен с возможностью переключения на фазу очистки после заданного количества остановок двигателя.
Таким образом, блок управления может быть выполнен с возможностью подсчета количества остановок двигателя, к которому подключен центробежный сепаратор, и затем переключения на фазу очистки, когда подсчитанное количество остановок достигает заданного значения. Заданное значение может быть, например, подсчетом 20 остановок, подсчетом 50 остановок и т.д.
В вариантах осуществления первого аспекта изобретения, блок управления выполнен с возможностью приема сигнала, который связан с со временем, в течение которого двигатель, к которому подключен центробежный сепаратор, работает, и при этом блок управления дополнительно выполнен с возможностью переключения на фазу очистки, когда время превышает пороговое значение.
Таким образом, блок управления может быть выполнен с возможностью регистрации рабочего времени двигателя, к которому подключен центробежный сепаратор, и затем переключения на фазу очистки, когда рабочее время остановок достигает заданного значения, например, 100 часов, 150 часов и т.д.
В вариантах осуществления первого аспекта изобретения, блок управления выполнен с возможностью приема сигнала, относящегося к давлению газа на впуске газа, и переключения на фазу очистки, когда давление газа на впуске газа выше заданного порогового значения.
Следовательно, центробежный сепаратор может содержать, по меньшей мере, один датчик давления на впуске газа. Повышенное давление газа на впуске может быть хорошим показателем того, что между разделительными элементами произошло засорение.
Давление газа на впуске газа может измеряться при определенной скорости вращения вращающегося элемента, и когда это давление превышает определенное значение, может произойти переход к фазе очистки.
Блок управления может быть дополнительно выполнен с возможностью приема нескольких параметров, таких как два или более параметров, выбранных из группы, состоящей из параметра, относящегося к числу остановок двигателя, параметра, относящегося к времени работы двигателя, параметра, относящегося к времени работы центробежного сепаратора и параметра, связанного с давлением газа на впуске. Блок управления может затем быть выполнен с возможностью переключения на фазу очистки, когда один из этих параметров превышает пороговое значение, специфичное для этого параметра.
Согласно другому варианту осуществления изобретения, блок управления может быть выполнен с возможностью управления приводным устройством для вращения вращающегося элемента на первой скорости в течение заданного времени. Заданное время может быть установлено оператором вручную. Однако оно также может быть рассчитано по рабочим параметрам центробежного сепаратора, измеренным различными датчиками, такими как датчики, регистрирующие давление на впуске газа и/или выпуске газа из сепаратора. По истечении заданного времени, блок управления может быть выполнен с возможностью переключения обратно на фазу разделения.
В качестве альтернативы, блок управления может быть выполнен с возможностью переключения с фазы очистки обратно на фазу разделения после приема сигнала, связанного с давлением газа на впуске газа. В качестве примера, блок управления может быть выполнен с возможностью переключения обратно к фазе разделения после приема сигнала, указывающего, что давление газа ниже заданного значения.
В вариантах осуществления первого аспекта изобретения, фаза очистки включает вращение вращающегося элемента в течение периода времени, который составляет от 30 до 180 с.
В качестве примера, фаза очистки может содержать вращение вращающегося элемента в течение периода времени, который составляет от 60 до 120 с.
В вариантах осуществления первого аспекта изобретения, фаза очистки содержит вращение вращающегося элемента со скоростью, которая выше чем 12000 об/мин.
Например, фаза очистки содержит вращение вращающегося элемента со скоростью, превышающей 14000 об/мин, например, более 15000 об/мин.
В вариантах осуществления первого аспекта изобретения, фаза разделения содержит вращение вращающегося элемента со скоростью между 7500 и 12000 об/мин.
Таким образом, в вариантах осуществления первого аспекта изобретения, вторая скорость вращения более чем на 2000 об/мин выше первой скорости, например, на 3000 об/мин выше первой скорости, например, более чем на 4000 об/мин выше первой скорости, например, более чем на 5000 об/мин выше, чем первая скорость.
Следовательно, в вариантах осуществления первого аспекта изобретения, фаза очистки содержит вращение вращающегося элемента со скоростью, которая выше чем на 2000 об/мин, чем скорость фазы разделения.
В вариантах осуществления первого аспекта изобретения, приводной элемент содержит электрический двигатель.
Таким образом, управляющее оборудование может быть сконфигурировано для приведения в действие такого электрического двигателя на разных скоростях. Электрический двигатель может быть, главным образом, любого подходящего типа, например, электрическим двигателем постоянного тока или электрическим двигателем переменного тока (синхронным электрическим двигателем или асинхронным электрическим двигателем). В качестве примера, электрический двигатель может представлять собой синхронный двигатель, такой как бесщеточный электрический двигатель, имеющий ротор, который включает в себя постоянные магниты.
Электрический двигатель может быть расположен внутри неподвижного корпуса или снаружи неподвижного корпуса.
Кроме того, может быть использован электрический двигатель, который не имеет отдельных подшипников для опоры ротора двигателя. Вместо этого могут быть использованы для этой опоры уже имеющиеся и необходимые подшипники для центробежного ротора.
В качестве примера, электрический двигатель может быть расположен в неподвижном корпусе и иметь статор, который поддерживается неподвижным корпусом, и ротор, который состоит из части вращающегося элемента центробежного сепаратора и который опирается относительно статора только через подшипники.
Следовательно, в вариантах осуществления первого аспекта изобретения, вращающийся элемент опирается в неподвижном корпусе через подшипники, расположенные только в двух местах для подшипников, разнесенных в осевом направлении друг от друга, а приводной элемент представляет собой электрический двигатель, расположенный в неподвижном корпусе и имеющий статор, который поддерживается неподвижным корпусом, и ротор, который составлен частью вращающегося элемента и опирается относительно статора только через эти подшипники.
Такая конфигурация, например, более подробно поясняется в международной заявке на патент, опубликованной как WO 2004/001201.
В качестве дополнительного примера, блок управления может быть объединен с электрическим двигателем.
Таким образом, управляющее оборудование может быть сконфигурировано для приведения в действие электрического двигателя на разных скоростях. Таким образом, блок управления может быть в том же блоке, что и электрический двигатель, который может быть расположен внутри неподвижного корпуса или снаружи неподвижного корпуса. Однако, блок управления также может быть блоком, отдельным от электрического двигателя. Таким образом, блок управления может быть отдельным блоком, расположенным вне неподвижного корпуса, тогда как электрический двигатель расположен внутри неподвижного корпуса, или, в качестве альтернативы, как электрический двигатель, так и блок управления расположены снаружи неподвижного корпуса, но как разные блоки.
В качестве второго аспекта изобретения, предусмотрен способ для удаления засорений в центробежном сепараторе, включающий этапы, при которых:
- обеспечивают центробежный сепаратор согласно первому аспекту изобретения,
- работают центробежным сепаратором в фазе разделения на первой скорости,
- переключают работу центробежного сепаратора в фазу очистки на второй скорости для устранения засорения на или между разделительными элементами.
Термины и определения, используемые в отношении второго аспекта изобретения, являются такими, как обсуждено в отношении первого аспекта изобретения выше.
Этап работы центробежного сепаратора в фазе разделения и в фазе очистки включает вращение вращающегося элемента центробежного сепаратора.
Способ может дополнительно включать этапы, при которых:
- вводят газ, содержащий загрязняющие вещества, во впуск для газа центробежного сепаратора; и
- выпускают очищенный газ через выпуск для газа центробежного сепаратора и выпускают загрязняющие вещества, отделенные от газа, через дренажный выпуск центробежного сепаратора.
В вариантах осуществления второго аспекта изобретения, этап переключения на работу центробежного сепаратора в фазе очистки инициируется по истечении заданного периода времени.
В вариантах осуществления второго аспекта изобретения, способ дополнительно включает этап, при котором получают сигнал, относящийся к остановке двигателя, к которому подключен центробежный сепаратор, и при этом переключение на работу центробежного сепаратора на фазу очистки инициируется после заранее определенного числа принятых остановок.
В вариантах осуществления второго аспекта изобретения, способ дополнительно включает этап, при котором измеряют давление на впуске сепаратора, и при этом переключение на работу центробежного сепаратора на фазу очистки инициируется, когда давление газа на впуске газа превышает заданное пороговое значение.
В качестве дополнительного аспекта изобретения, предложен компьютерный программный продукт, содержащий инструкции программного кода для выполнения способа согласно второму аспекту изобретения, когда упомянутая программа выполняется компьютером. В качестве примера, блок управления сепаратором может содержать такой компьютерный программный продукт.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 показывает сечение варианта осуществления центробежного сепаратора.
Фиг.2 показывает сечение варианта осуществления центробежного сепаратора.
Фигуры 3а-3d показывают различные типы разделительных элементов, которые могут быть использованы в центробежном сепараторе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Центробежный сепаратор и способ согласно настоящему раскрытию будут дополнительно проиллюстрированы нижеследующим описанием со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 показывает сечение центробежного сепаратора 1 сепараторного устройства. Центробежный сепаратор 1 содержит неподвижный корпус 2, который выполнен с возможностью установки на двигателе внутреннего сгорания (не раскрывается), особенно на дизельном двигателе, в подходящем положении, например, на верхней части двигателя внутреннего сгорания или на боковой поверхности двигателя внутреннего сгорания.
Следует отметить, что центробежный сепаратор 1 также может быть пригоден для очистки газов из других источников, чем двигатель внутреннего сгорания, например, окружающей среды механических станков, которые часто содержат большое количество жидких примесей в виде капель масла или масляного тумана.
Неподвижный корпус 2, заключает разделительное пространство 3, через которое допускается поток газа. Неподвижный корпус 2 содержит, или образован окружающей боковой стенкой 4, первой торцевой стенкой 5 (в вариантах осуществления раскрывается верхняя торцевая стенка), и второй торцевой стенкой 6 (в вариантах осуществления раскрывается нижняя торцевая стенка).
Центробежный сепаратор содержит вращающийся элемент 7, который выполнен с возможностью вращения вокруг оси Х вращения. Следует отметить, что неподвижный корпус 2 является неподвижным в отношении вращающегося элемента 7 и, предпочтительно, в отношении двигателя внутреннего сгорания, на котором он может быть установлен.
Неподвижный корпус 2 имеет радиус от оси Х вращения до окружающей боковой стенки 4, который является постоянным, по меньшей мере, в отношении большей части окружности окружающей боковой стенки 4. Таким образом, окружающая боковая стенка 4 имеет круговое или, по существу, круговое сечение.
Вращающийся элемент 7 содержит шпиндель 8 и стопку разделительных дисков 9, прикрепленных к шпинделю 8. Все разделительные диски из стопки 9 расположены между первой концевой пластиной 10 (в варианте осуществления раскрывается верхняя концевая пластина) и второй концевой пластиной 11 (в варианте осуществления раскрывается нижняя концевая пластина).
Шпиндель 8 и, следовательно, вращающийся элемент 7 поддерживаются с возможностью вращения в неподвижном корпусе 2 посредством первого подшипника 12 (в варианте осуществления, раскрытого как верхний подшипник) и второго подшипника 13 (в вариантах осуществления раскрытого как нижний подшипник), подшипники расположены по одному на каждой стороне стопки разделительных дисков 9. Верхний подшипник 12 поддерживается колпачком 19, который цилиндрической частью окружает верхний концевой участок вала центробежного ротора, то есть шпиндель 8, причем верхний концевой участок расположен в осевом направлении выше верхнего подшипника 12. Колпачок 19 также имеет кольцевой плоский участок 20, через который колпачок поддерживается перегородкой 21 в неподвижном корпусе 2. Плоский кольцевой участок 20 колпачка 19 снабжен сквозными отверстиями 22, через которые впускной канал 18 сообщается с центральным пространством 15.
В осевом направлении над верхним подшипником 12 колпачок 19 поддерживает на своей внутренней стороне, вокруг концевого участка шпинделя 8, статор 24, принадлежащий электрическому двигателю 23. Ротор 25, принадлежащий этому электрическому двигателю 23, поддерживается концевым участком вала центробежного ротора, то есть шпинделем 8. Узкая кольцевая прорезь 26 образована между статором 24 двигателя и ротором 25 двигателя. Как можно видеть, электрический двигатель 23 в этом варианте осуществления не имеет собственных подшипников, через которые его ротор 25 будет вращательно опираться в своем статоре 24. Вместо этого, два подшипника 12 и 13, через которые вращающийся элемент 7 опирается в неподвижном корпусе 2, используются для опоры ротора 25 электрического двигателя 23.
Разделительные диски из стопки 9 имеют форму усеченного конуса и проходят от шпинделя 8 наружу и вверх. Таким образом, разделительные диски содержат плоский участок 9а, который проходит перпендикулярно оси Х вращения, и конический участок 9b, который проходит наружу и вверх от плоского участка 9а.
Следует отметить, что разделительные диски также могут проходить наружу и вниз или даже радиально.
Разделительные диски из стопки 9 предусмотрены на расстоянии друг от друга посредством дистанционирующих элементов (не раскрытых) для образования зазоров 14 между смежными разделительными дисками 9, то есть зазор 14 между каждой парой смежных разделительных дисков 9. Осевая толщина каждого зазора 14 может, например, быть порядка 1-2 мм.
Разделительные диски из стопки 9 могут быть выполнены из пластика или металла. Количество разделительных дисков в стопке 9 обычно больше, чем указано на фиг.1, и может составлять, например, от 50 до 100 разделительных дисков 9 в зависимости от размера центробежного сепаратора.
Вращающийся элемент 7 образует центральное пространство 15. Центральное пространство 15 образовано отверстием в каждом из разделительных дисков 9. В вариантах осуществления по фиг.1, центральное пространство 15 образовано множеством сквозных отверстий 16, каждое из которых проходит через первую концевую пластину 10 и через каждый из разделительных дисков 9, но не через вторую концевую пластину 11. Сквозные отверстия расположены в плоских участках 9а разделительных дисков.
Центробежный сепаратор 1 содержит впуск 17 для газа для подачи очищаемого газа. Впуск 17 для газа проходит через неподвижный корпус 2, а точнее через первую торцевую стенку 5. Впуск 17 для газа сообщается с центральным пространством 15, так что очищаемый газ передается из впуска 17 через центральное пространство 15 в зазоры 14 стопки разделительных дисков 9. Впуск 17 для газа выполнен с возможностью сообщения с картером двигателя внутреннего сгорания или любым другим источником через впускной трубопровод 18, позволяющий подавать картерный газ из картера во впуск 17 для газа и далее в центральное пространство 15 и зазоры 14 как объяснялось выше.
Центробежный сепаратор содержит дренажное отверстие 29, выполненное с возможностью выпуска жидких примесей, отделенных от газа, и выпуск 30 для газа, выполненный с возможностью выпуска очищенного газа. Дренажное отверстие в этом варианте осуществления выполнено в виде канала во второй торцевой стенке 6, но дренажное отверстие 29 также может иметь форму сквозных отверстий, расположенных в нижней торцевой стенке 6, так что отделенные жидкие примеси протекают через второй подшипник 13, когда они сливаются из разделительного пространства 3. Кроме того, выпуск 30 для газа в этом варианте осуществления расположен во второй торцевой стенке 6 на радиальном расстоянии, которое короче радиального расстояния до дренажного выпуска 29, но выпуск для газа также может быть расположен, например, в окружающей боковой стенке 4.
Посредством блока 28 управления, скорость вращения и, следовательно, эффективность очистки центробежного сепаратора может быть отрегулирована подходящим образом, чтобы обеспечить требуемую очистку подаваемого газа. Это достигается посредством соединения 27, которое проходит в неподвижный корпус 1 и далее через колпачок 19 в статор 24 двигателя. Это соединение 27 также может быть использовано для питания электрического двигателя 23 током. Блок 30 управления включает в себя устройство для привода электрического двигателя 23 с разными скоростями; либо для получения ограниченного числа скоростей, либо для непрерывного изменения скорости двигателя. Различные виды устройств для регулирования скорости двигателей (как двигателей постоянного тока, так и двигателей переменного тока) хорошо известны. Для двигателя постоянного тока может использоваться простое устройство для контроля напряжения. Для двигателя переменного тока могут использоваться различные виды оборудования для контроля частоты.
Блок 28 управления может дополнительно содержать интерфейс 31 связи, такой как передатчик/приемник, через который он может принимать данные от различных датчиков или двигателя, к которому подключен сепаратор, и дополнительно передавать данные на электрический двигатель 23.
Полученные данные могут, например, включать в себя данные об измеренном давлении от датчика 32 давления на впуске 17 для газа, как указано пунктирной стрелкой «А», и/или данные, относящиеся к числу остановок двигателя, к которому сепаратор подключен, как указано пунктирной стрелкой «B». Переданные данные могут, например, включать в себя управляющий сигнал для управления скоростью электрического двигателя 23.
Блок 28 управления дополнительно выполнен с возможностью осуществления способа управления электрическим двигателем 28 согласно раскрытым здесь вариантам осуществления. Для этой цели блок 28 управления может содержать блок 33 обработки, такой как центральный блок обработки, который выполнен с возможностью выполнения инструкций компьютерного кода, которые, например, могут храниться в памяти 34. Память 34 может, таким образом, образовывать (не кратковременный) машиночитаемый носитель для хранения таких инструкций компьютерного кода. Блок 33 обработки может альтернативно быть выполнен в форме аппаратного компонента, такого как специализированная интегральная матрица, программируемая пользователем вентильная матрица или тому подобное.
В этом варианте осуществления, блок 28 управления является отдельным блоком от центробежного сепаратора 1. Однако, блок управления также может быть частью сепаратора, например, образующей часть электрического двигателя 23. Таким образом, блок управления со всеми его функциями может быть расположен на электрическом двигателе, например, соединен со статором 24, поддерживаемым колпачком 19.
Во время работы, вращающийся элемент 17 поддерживается во вращении за счет подачи тока на электрический двигатель 23, а загрязненный газ, например, картерный газ из картера двигателя внутреннего сгорания подается к впуску 17 для газа через трубопровод 18. Этот газ направляется далее в центральное пространство 15 и оттуда в и через промежутки 14 между разделительными дисками стопки 9. В результате вращения вращающегося элемента 7, газ приводится во вращение, в результате чего он далее перекачивается радиально наружу через зазоры или промежутки 14.
Во время вращения газа в промежутках, твердые или жидкие частицы, взвешенные в газе, отделяются от него. Частицы оседают на внутренней стороне конических участков 9b разделительных дисков и скользят или бегут по ним радиально наружу. Когда частицы и/или капли жидкости достигают внешних краев разделительных дисков, они выбрасываются из ротора и ударяются о внутреннюю поверхность окружающей стенки 4 неподвижного корпуса 2. Частицы проходят вниз вдоль этой стенки и покидают разделительное пространство 3 через дренажное отверстие 29, тогда как газ, освобожденный от частиц и выходящий из стопки разделительных дисков 9, покидает корпус 1 через выпуск 30 для газа. Путь газа через центробежный сепаратор 1 схематично показан стрелками «С» на фиг.1.
Как обсуждалось выше, блок 28 управления управляет скоростью вращения вращающейся части посредством отправки сигнала на электрический двигатель 23. Во время нормальной работы, вращающийся элемент вращается с первой скоростью во время фазы разделения. Эта первая скорость может быть скоростью в диапазоне 7500-12000 об/мин. Во время фазы разделения, жидкие примеси отделяются от газа, как обсуждалось выше. Фаза разделения также может включать вращение вращающегося элемента более чем с одной скоростью. Таким образом, фаза разделения может содержать набор уровней скорости, между которыми вращающийся элемент может вращаться. Эти изменения в пределах фазы разделения могут управляться блоком 28 управления, либо ступенчатым, либо непрерывным изменением скорости.
Однако со временем, между разделительными дисками в стопке 9 может образоваться засорение. Поэтому блок управления выполнен с возможностью перехода в фазу очистки, при которой вращающийся элемент получает временное увеличение скорости. Таким образом, фаза очистки происходит в течение более короткого периода времени по сравнению с фазой разделения. Скорость во время фазы очистки, то есть вторая скорость, выше, чем все скорости во время фазы разделения, то есть выше, чем первая скорость. Скорость в фазе очистки может быть не менее 15000 об/мин. Этап очистки может продолжаться, по меньшей мере, 30 с, например, по меньшей мере, 45 с, например, по меньшей мере, 60 с. При этом временном увеличении скорости, возрастают центробежные силы, действующие на засорение, что, в свою очередь, заставляет засорение высвобождаться между дисками, то есть разделительные диски очищаются от засорения.
Блок 28 управления, например, может быть выполнен с возможностью перехода от фазы разделения к фазе очистки после заданного периода времени или после приема входных данных от датчика. В качестве примера, блок управления может быть выполнен с возможностью перехода в фазу очистки после сигнала от датчика 32 давления на впуске для газа, который может быть показателем давления газа выше определенного порога и, следовательно, указанием на то, что засорение произошло. Блок 28 управления может в качестве альтернативы, или в качестве дополнения быть выполнен с возможностью перехода к фазе очистки после приема входного сигнала от других частей двигателя, к которому подключен центробежный сепаратор. Как обсуждалось выше, блок управления может быть выполнен с возможностью приема сигнала, который связан с остановкой двигателя, к которому подключен центробежный сепаратор, дополнительно выполнен с возможностью переключения на фазу очистки после приема заданного количества сигналов остановки двигателя, или получения сигнала с информацией о том, что двигатель останавливался определенное количество раз.
Блок управления может быть дополнительно выполнен с возможностью переключения обратно в фазу разделения после запуска вращающегося элемента 7 со скоростью фазы очистки в течение заданного периода времени. В качестве примера, блок управления может быть дополнительно выполнен с возможностью переключения из фазы очистки обратно в фазу разделения через 30-180 с.
В качестве альтернативы, электрический двигатель 23 типа, показанного на фиг.1, может быть расположен вокруг удлинения шпинделя 8 под нижним подшипником 13. Также возможно расположить двигатель в пространстве в осевом направлении между верхним подшипником 12 и первой концевой пластиной 10, или в осевом направлении между нижним подшипником 13 и второй концевой пластиной 11. Также может быть использован электрический двигатель, имеющий дискообразный круговой ротор и статор, образованный таким образом, что он расположен в осевом направлении с обеих сторон ротора.
Фиг.2 показывает пример варианта осуществления центробежного сепаратора, в котором электрический двигатель 23 расположен на удлинении шпинделя 8 в осевом направлении над верхней стенкой 5 неподвижного корпуса 2. В качестве альтернативы, электрический двигатель 23 также может быть расположен на удлинении шпинделя 8 в осевом направлении под нижней торцевой стенкой 6 неподвижного корпуса 2.
Таким образом, в показанном варианте осуществления, статор и ротор электрического двигателя 23 расположены вне неподвижного корпуса 2. Дополнительно, блок 28 управления выполнен в виде части электрического двигателя 23, но функционирует, как описано в отношении варианта осуществления, показанного на фиг.1. Все остальные функции являются такими же, как описано в отношении варианта осуществления, показанного на фиг.1, то есть ссылочные позиции обозначают те же детали.
В вариантах осуществления, показанных на фиг.1 и фиг.2, вращающийся элемент 7 для очистки газа снабжен стопкой конических разделительных дисков обычного типа. Однако изобретение не ограничивается вращающимся элементом или центробежным ротором именно этого типа, но может быть использовано в сочетании с любым подходящим центробежным ротором для освобождения газа от взвешенных в нем частиц.
Фигуры 3a-3d показывают несколько примеров разделительных дисков, которые могут быть использованы в центробежном сепараторе по настоящему изобретению. Для ясности проиллюстрировано только несколько дисков, и следует понимать, что в действительности присутствует большее количество дисков, так что расстояние между дисками намного меньше.
Фиг.3а показывает пример дисков 35 в форме усеченного конуса, имеющих плоский участок 9а и участок 9b в форме усеченного конуса. Плоский участок 9а проходит в плоскости, которая является перпендикулярной оси (Х) вращения, и в этом варианте осуществления участок 9b в форме усеченного конуса проходит вверх. Плоский участок 9а находится ближе к оси вращения, чем участок 9b в форме усеченного конуса. Плоский участок 9а и/или участок 9b усеченного конуса могут содержать сквозные отверстия для газа.
Фиг.3b показывает пример дисков 35 в форме усеченного конуса, имеющих плоский участок 9а и участок 9b в форме усеченного конуса. Плоский участок 9а проходит в плоскости, которая является перпендикулярной оси (Х) вращения, а участок 9b в форме усеченного конуса проходит вниз. Плоский участок 9а находится ближе к оси вращения, чем участок 9b в форме усеченного конуса. Плоский участок 9а и/или участок 9b усеченного конуса могут содержать сквозные отверстия для газа.
Фиг.3с показывает пример стопки дисков, в которой все диски 36 являются плоскими, то есть все диски 36 проходят в плоскости, перпендикулярной оси (Х) вращения. Диски 36 могут содержать сквозные отверстия для газа.
Фиг.3d показывает пример осевых дисков или пластин 37. Эти пластины 37 являются слегка изогнутыми, то есть имеют изогнутую форму, если смотреть в радиальной плоскости. Другими словами, они изогнуты, если смотреть в плоскости, перпендикулярной оси (Х) вращения. Осевые диски 37 могут содержать сквозные отверстия для газа.
Изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления, а может изменяться и модифицироваться в пределах объема последующей формулы изобретения. Изобретение не ограничивается ориентацией оси (X) вращения, раскрытой на фигурах. Термин «центробежный сепаратор» также включает центробежные сепараторы с практически горизонтально ориентированной осью вращения.