DE60106088T2

DE60106088T2 - Vorrichtung zur herstellung von glasartigen fasern durch zentrifugenspinnen

Info

Publication number: DE60106088T2
Application number: DE60106088T
Authority: DE
Inventors: Weiss Flemming TONDER
Original assignee: Rockwool International AS
Current assignee: Rockwool AS
Priority date: 2000-10-18
Filing date: 2001-10-08
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2021-10-09
Also published as: ATE277871T1; EP1355862A1; AU2002218213A1; SI1355862T1; DE60106088D1; EP1355862B1; WO2002032822A1

Description

Diese Erfindung betrifft Schleudervorrichtungs-Anordnungen umfassend ein Luftzufuhrsystem und mindestens eine Zentrifugal-Schleudervorrichtungseinheit für die Herstellung von künstlichen glasartigen Fasern (MMVF) und insbesondere betrifft sie ein neues Luftzufuhrsystem für eine derartige Anordnung.
Ein üblicher Weg zur Bildung von MMV-Fasern beinhaltet die Zerfaserung einer Schmelze unter Verwendung einer Zentrifugal-Schleudervorrichtungseinheit, welche umfasst ein Schleudervorrichtungseinheits-Gehäuse und mindestens einen Zerfaserungsrotor, der in drehbarer Weise an dem Gehäuse montiert ist, zur Schleuderzerfaserung von glasartiger Schmelze, die auf den oder in den Rotor zugeführt wird. In der Praxis werden große Mengen an Luft durch die Schleudervorrichtungseinheit geliefert, um Fasern mitzuführen, die von dem oder den mehreren Rotoren als Faserwolke weg gebildet werden, und um diese Wolke weg von der Schleudervorrichtungseinheit zu befördern. Ein Teil dieser Luft kann mit sehr hoher Geschwindigkeit (häufig als Primärluft bezeichnet) nahe zu den Rotoren zugeführt werden, um die Zerfaserung zu unterstützen, während die restliche Luft (Sekundärluft) mit geringeren Geschwindigkeiten zugeführt werden kann, hauptsächlich zwecks Beförderung der Fasern weg von der Schleudervorrichtungseinheit. Gewöhnlich gibt es Luftzufuhrdurchgänge durch die Schleudervorrichtungseinheit, die zu einer Luftzufuhr-Auslasseinrichtung von der Schleudervorrichtungseinheit führen, von der Luft abgegeben wird, um Fasern mitzuführen. Ein Luftimpeller wird zur Erzeugung des Luftstroms durch die Luftzufuhrdurchgänge und Auslassöffnungen verwendet.
Der Impeller muss im Hinblick auf die Produktivität der Zentrifugal-Schleudervorrichtungseinheiten ein sehr großes Luftvolumen erzeugen, insbesondere bei dem aktuellen Stand der Produktivität. Die Notwendigkeit, Primärluft von hoher Geschwindigkeit zu erzeugen, erhöht die Anforderungen an den Impeller.
Es hat einige Vorschläge für Systeme gegeben, die keine primäre Luft hoher Geschwindigkeit verwenden (nämlich in US 4119421 und US 4969940 ), um sekundäre Luft geringer Geschwindigkeit durch ein Gebläse zu liefern, das sich hinter der Schleudervorrichtungseinheit befindet. In US 3015127 ist auch vorgeschla gen worden, ein Gebläse zur Erzeugung eines Luftstroms zur Zerfaserung in einem ziemlich anderen Typ von Zerfaserungsvorrichtung zu verwenden, d.h. bei einer, in welcher der Luftstrom durch eine fließende Schmelze gedrückt wird. Es ist in WO 9959929 A auch vorgeschlagen worden, ein Impellergebläse zu verwenden, das an der Vorderseite eines Rotors in einem Kaskadenrotorverfahren angebracht ist.
Obwohl es erscheinen mag, dass ein Gebläse in der Nähe einer Schleudervorrichtungseinheit zweckdienlich und angemessen wäre, muss das Gebläse in der Praxis ausgesprochen voluminös und kräftig sein, wenn es genügend Luft für eine optimale Leistung einer modernen Zentrifugal-Schleudervorrichtungseinheit erzeugen soll. Dementsprechend würde in der Praxis die Anordnung eines Gebläses in der Nachbarschaft zu einer Zentrifugalschleudervorrichtung die Schwierigkeiten, die bereits bei der Bereitstellung einer zweckdienlichen und kostengünstigen Anordnung für eine Schmelzezufuhr, eine Zentrifugal-Schleudervorrichtungseinheit und ein Sammelsystem vorhanden sind, notwendigerweise noch weiter erhöhen. Zum Beispiel ist die Zentrifugalschleudervorrichtung üblicherweise sehr voluminös und relativ unbeweglich und deren Positionierung vor einer sehr großen Luftleitung und einem sehr großen Gebläse würde die Gesamtvorrichtung sogar noch voluminöser machen. Dies würde die Komplexizität der Verwendung der Gesamtanordnung erhöhen und insbesondere die Wartung erschweren.
Eine gewöhnliche Fabrik zur Herstellung von MMVF betreibt eine Mehrzahl von Schleudervorrichtungseinheiten. Statt eines zweckdienlichen und kräftigen Gebläses in Nachbarschaft zu jeder Einheit beinhaltet die übliche Praxis in der Industrie die Bereitstellung einer einzelnen Gebläseanlage zur Zufuhr von Druckluft zu einer Mehrzahl von Schleudervorrichtungseinheiten entfernt von den Einheiten. Da die Gesamtvorrichtung, welche die Schleudervorrichtungseinheit beinhaltet (z.B. einschließlich der Sammlervorrichtung und der Sammelkammer), sehr groß ist, kann die Leitung, die zur Leitung der Luft von der Gebläseanlage zu jeder der Schleudervorrichtungseinheiten notwendig ist, sehr lang sein, z.B. mindestens 30 m und häufig 50 bis 100 m oder mehr. Dementsprechend vermeidet dieses System die Schleudervorrichtung in nicht akzeptabler Weise voluminös zu machen, aber sie benötigt hohe Energiekosten zum Antreiben der Luft durch die lange große Leitung und die Leitung nimmt einen großen Raum ein.
Die Produktivität von Schleudervorrichtungseinheiten erhöht sich stetig und dies erhöht die Probleme der Bereitstellung einer angemessenen Luftzufuhr. Zur Optimierung der Produktion ist es in wachsendem Maße notwendig, in der Lage zu sein, während des Betriebs die Schleudervorrichtungseinheit einzustellen und sogar die Schleudervorrichtungseinheit zu bewegen. Das fixierte, zentrale Gebläseeinheitssystem selbst gewährt keine einfache Einstellung der Luft zu jeder individuellen Schleudervorrichtungseinheit.
Es wäre daher zweckmäßig, ein angemesseneres und kostengünstigeres System zur Bereitstellung von Luft bereitzustellen und insbesondere es für eine Schleudervorrichtungseinheit bereitzustellen, die im Hinblick auf die Position und die Schleuderbedingungen vielseitig und leicht einstellbar ist.
Eine Schleudervorrichtungs-Anordnung nach der Erfindung umfasst ein Luftzufuhrsystem und mindestens eine Zentrifugal-Schleudervorrichtungseinheit, worin

die oder jede Zentrifugal-Schleudervorrichtungseinheit ein Schleudervorrichtungseinheits-Gehäuse, mindestens einen Zerfaserungsrotor, der in drehbarer Weise an dem Gehäuse montiert ist, zur Schleuderzerfaserung von glasartiger Schmelze, die auf den oder in den Rotor zugeführt wird, und eine Luftzufuhr-Auslasseinrichtung von innerhalb des Gehäuses zum Zuführen eines Luftstroms in Nachbarschaft zu dem oder jedem Rotor zum Mitführen von Fasern, die vom Rotor oder mindestens einem der Rotoren weg gebildet werden, und Luftzufuhrdurchgänge in dem Gehäuse, die zu der Luftzufuhr-Auslasseinrichtung führen, umfasst und
das Luftzufuhrsystem einen Luftimpeller zum Erzeugen eines Luftstroms durch die Luftzufuhrdurchgänge und die Luftzufuhr-Auslasseinrichtung umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass der Luftimpeller direkt an der Schleudervorrichtungseinheit angebracht ist oder indirekt an der Schleudervorrichtungseinheit durch eine Leitung von weniger als 15 m Länge angebracht ist, und
der Luftimpeller mindestens einen Axialkompressor umfassend eine Lufteinlasszone, ein Kompressorteil und einen Ringdiffusor, der in Richtung der Luftzufuhrdurchgänge ablässt, umfasst, wobei das Kompressorteil eine Antriebseinrichtung und einen Ring, der von der Lufteinlasszone führt und durch den ein Kompressorrotor durch die Antriebseinrichtung gedreht wird, umfasst
und das Kompressorteil und/oder der Ringdiffusor einen Stator beinhalten, wobei der Stator die Verwirbelung im Diffusor minimiert,
und worin der Kompressor so gestaltet ist, dass der sich drehende Kompressorrotor Luft in das Kompressorteil zieht und Luft in den Diffusor hinein beschleunigt und dadurch bewirkt, dass Luft mit steigendem Druck und sich verringernder Geschwindigkeit durch den Diffusor befördert wird.

Im Ergebnis der Verwendung des definierten Axialkompressors als Luftimpeller anstelle eines herkömmlichen Impellers vom Gebläsetyp ist es nun möglich, eine Schleudervorrichtungs-Anordnung bereitzustellen, die sehr viel kompakter ist und leichter einzustellen und zu betreiben ist als es vorher möglich gewesen war, und es ist möglich, den größten Teil der Leitung oder die ganze Leitung wegzulassen, die vorher um Anlagen zur Herstellung von MMV-Fasern . bereitgestellt worden ist. Der definierte Axialkompressor ist besonders geeignet, um in Kombination mit einer Kaskaden-Schleudervorrichtungseinheit wie in unserer EP-Anmeldung 00122246.2, eingereicht am 18. Oktober 2000, beschrieben, verwendet zu werden. Diese Kombination ist die bevorzugte Schleudervorrichtungs-Anordnung der Erfindung und besonders kompakt.
Die Schleudervorrichtungs-Anordnung weist einen einzelnen Luftimpeller auf, der mindestens einen Axialkompressor umfasst. Es können zwei Axialkompressoren vorhanden sein, die z.B. in Reihe angeordnet sind, aber sie dienen als einzelner Luftimpeller, da sie eine Luftzufuhr bereitstellen. Gewöhnlich gibt es entweder einen einzelnen Axialkompressor oder ein Paar von Axialkompressoren in Reihe.
Die Schleudervorrichtungs-Anordnung kann zwei oder mehr Zentrifugal-Schleudervorrichtungseinheiten beinhalten, die durch den einzelnen Luftimpeller mit Luft versorgt werden, aber im allgemeinen weist die Schleudervorrichtungs-Anordnung nur eine Zentrifugal-Schleudervorrichtungseinheit auf, die von dem einen Luftimpeller umfassend den Axialkompressor oder die Axialkompressoren in Reihe mit Luft versorgt wird. Dies erleichtert die Steuerung der Luftzufuhr zu der individuellen Schleudervorrichtungseinheit.
Da der oder jeder Axialkompressor klein ist, kann er in der Nähe der Schleudervorrichtungseinheit angeordnet werden, ohne den notwendigen Zugang zur Schleudervorrichtungseinheit zu behindern, z.B. für die Wartung. Dementsprechend kann der Axialkompressor zweckmäßigerweise im allgemeinen auf dem gleichen Boden wie die Schleudervorrichtungseinheit und relativ nahe an der Schleudetvorrichtungseinheit angeordnet sein. Gewöhnlich beträgt die Länge der Leitung, welche die Schleudervorrichtungseinheit mit dem Axialkompressor verbindet (wenn sie getrennt sind), weniger als 10 m und häufig weniger als 5 m und häufig weniger als 3 m. Der Axialkompressor ist vorzugsweise ohne weiteres von der Leitung ablösbar, um ihn ohne weiteres und rasch zu ersetzen, wenn ein mechanisches Versagen vorliegt.
Die kompakteste Form der Vorrichtung gibt es, wenn der Luftimpeller (bestehend aus einem Axialkompressor oder Axialkompressoren in Reihe) direkt an der Schleudervorrichtungseinheit angebracht ist. Irgendeine Zwischenschaltung zwischen dem Impeller und der Schleudervorrichtungseinheit ist bevorzugt sehr kurz (gewöhnlich weniger als 0,5 m) und enthält normalerweise ein Minimum an Verbindungen, die zum Führen der Luft von der Auslassöffnung von dem Ringdiffusor in die Luftzufuhrdurchgänge der Schleudervorrichtungseinheit notwendig sind. Die Schleudervorrichtungs-Anordnung kann ein einzelnes Gehäuse aufweisen, wobei der Axialkompressor sich an der Rückseite des Gehäuses und die Schleudervorrichtungseinheit an der Vorderseite des Gehäuses befindet. Der Impeller und die Schleudervorrichtungseinheit sind bevorzugt abnehmbar verbunden, so dass beide ersetzt werden können, wenn ein mechanisches Versagen vorliegt.
Die Schleudervorrichtungseinheit kann einen Zerfaserungsrotor umfassen, der zur Rotation um eine im wesentlichen vertikale Achse montiert ist und eine Scheibe oder einen Becher umfasst, auf der/dem oder in die/den Schmelze gegossen wird und von der/dem Fasern von der Oberfläche der Scheibe oder des Bechers oder durch Perforationen in den Wänden des Bechers geschleudert werden. Eine typische Vorrichtung dieses Typs ist in WO 91/13836 beschrieben.
Die Luftzufuhr-Auslasseinrichtungen sind gewöhnlich um den Zerfaserungsrotor angeordnet, um Luft stromabwärts zu strahlen und die Fasern weg von der Peripherie der Scheibe oder des Bechers zu befördern. Die Luftzufuhrdurchgänge können nahe an der Peripherie der Scheibe oder des Bechers ablassen oder sie können eine kleine Entfernung weg von der Peripherie ablassen, wobei in diesem Fall ein Brenner vorgesehen sein kann, um sehr heiße Luft in Nachbarschaft der Peripherie der Scheibe oder des Bechers und zwischen dieser Peripherie und dem Luftstrom, der von dem in der Erfindung verwendeten Axialkompressor gebildet wird, zu strahlen.
Die Schleudervorrichtungseinheit kann alternativ mindestens einen Zerfaserungsrotor umfassen, der zur Rotation um eine im wesentlichen horizontale Achse montiert ist. Es kann gerade einen Rotor oder zwei Rotoren geben, aber bevorzugt handelt es sich bei der Schleudervorrichtungseinheit um eine Kaskaden-Schleudervorrichtungseinheit. Eine derartige Einheit umfasst mindestens drei Zerfaserungsrotoren, die um eine im wesentlichen horizontale Achse montiert sind, wodurch Schmelze, die auf einen ersten Rotor gegossen wird, auf die anschließenden Rotoren geworfen wird, und von diesen, und gegebenenfalls von dem ersten Rotor, als Fasern abgeschleudert wird. Auf diese Weise kann ein einzelner Luftimpeller direkt oder indirekt an eine Kaskaden-Schleudervorrichtung angebracht werden, um die Luftzufuhr zu liefern, die zur Zerfaserung von allen Rotoren und zur Beförderung aller Fasern weg von der Schleudervorrichtungseinheit erforderlich ist.
Die Luftzufuhr-Auslasseinrichtung in einer Kaskaden-Schleudervorrichtung umfasst im allgemeinen Primärluft-Auslassöffnungen, die mit einem oder mehreren der ZerFaserungsrotoren verbunden sind, um Primärluft im wesentlichen axial nach vorne über die Oberfläche des oder jedes Rotors zu strahlen. Im allgemeinen wird Primärluft in der Nähe von einem Teil der Peripherie oder der ganzen Peripherie entweder von allen Zerfaserungsrotoren oder von allen ZerFaserungsrotoren außer dem oberen Rotor zugeführt. Geeignete Kaskaden-Schleudervorrichtungen und Primärluft-Auslassöffnungen dafür sind in GB-A-1559117, WO 92/06047, WO 92/12939 und WO 92/12940 beschrieben.
Neben der Primärluft, welche die Faserbildung erleichtert und für einen Teil des Transports der Fasern sorgt, ist es im allgemeinen bevorzugt, Sekundärluft zur Beförderung der Fasern nach vorne von der Kaskaden-Schleudervorrichtung bereitzustellen, und auf diese Weise umfasst die Anordnung gewöhnlich Sekundärluftzufuhr-Auslassöffnungen für die Zufuhr von Luft entfernt von der Oberfläche des oder jedes Rotors. Auf diese Weise befinden sich die Primärluftzufuhr-Auslassöffnungen in der Nähe der Rotoren und die Sekundärluftzufuhr-Auslassöffnungen befinden sich weiter weg von den Rotoren, alles in üblicher Weise.
Eine bevorzugte Schleudervorrichtungs-Anordnung nach der Erfindung umfasst eine Kaskaden-Schleudervorrichtung, die versehen ist mit Primär- und Sekundärluft-Auslassöffnungen, und den Luftimpeller (ein einzelner Axialkompressor oder mehr als ein Axialkompressor in Reihe), die Ende an Ende als eine integrierte Schleudervorrichtungs-Anordnungseinheit montiert sind. Diese Einheit hat vorzugsweise ein einzelnes Gehäuse, das von der Lufteinlassöffnung für den Luftimpeller an einem Ende zu den Zerfaserungsrotoren an dem anderen Ende führt. Vorzugsweise kann diese Schleudervorrichtungs-Anordnungseinheit ohne weiteres zerlegt werden, damit der Luftimpeller und/oder die Kaskaden-Schleudervorrichtungseinheit davon freigelegt werden, um die Wartung zu vereinfachen.
Als Ergebnis der Gestaltung des Luftimpellers und der Kaskaden-Schleudervorrichtungseinheit als eine einzelne Schleudervorrichtungs-Anordnungseinheit ist es möglich, die ganze Einheit in einem Außengehäuse bereitzustellen, das profiliert werden kann, um den Luftstrom um die Außenseite des Gehäuses zu optimieren.
Vorzugsweise ist die Schleudervorrichtungs-Anordnungseinheit in einem Außenkanal angepasst, wodurch die Profilierung des Gehäuses der Schleudervorrichtungs-Anordnungseinheit zur Steuerung des Luftstroms durch die Leitung zwischen der Schleudervorrichtungs-Anordnungseinheit und dem Kanal beitragen kann. Dies ist in Systemen von Wert, wie in denen, die in WO 96/38391 und PCT/EP 00/09916 beschrieben sind. Eine Mehrzahl der Einheiten kann eine einzelne Sammelvorrichtung versorgen, z.B. wie in WO 99/51535.
Die Luftzufuhrdurchgänge und die Luftzufuhr-Auslassrichtung in der Schleudervorrichtungseinheit können von herkömmlichem Aufbau sein. Die Geschwindigkeit und die Richtung der Luft beim Austritt von einem Teil der oder allen Luftzufuhr-Auslassöffnungen werden vorzugsweise durch eine geeignete Konstruktion der Luftzufuhr-Auslasseinrichtung gesteuert. Vorzugsweise umfassen diese Einrichtungen Düsen, die eine Beschleunigung der Druckluft bewirken, die vom Diffusor erhalten wird. Bei den Düsen kann es sich um Schlitze handeln und sie können Blätter enthalten, um die Orientierung des Luftstroms beim Austritt zu steuern, z.B. wie in den oben genannten GB- und WO-Veröffentlichungen beschrieben.
Bei der Antriebseinrichtung des Axialkompressors kann es sich um eine Gasturbinenmaschine handeln, sie ist aber vorzugsweise ein Elektromotor. Gasturbinen und Elektromotoren, die sich für den Einsatz im Axialkompressor eignen, sind im Handel erhältlich. Die Antriebseinrichtung oder der Motor sollten in der Lage sein, eine Drehzahl von mindestens 10.000 U/min und gewöhnlich 15.000 bis 40.000, bevorzugt 15.000 bis 30.000 U/min, häufig um etwa 25.000 U/min zu erzeugen. Geeignete Elektromotoren sind von E und A aus der Schweiz, Parvex in Frankreich, Siemens in Deutschland, Kavo in Deutschland und ABB in Schweden erhältlich.
Der Motor kann eine Leistung von soviel wie 100 oder 200 kW aufweisen, aber in der Praxis ist es bei geeigneter Gestaltung der Luftdurchgänge und bei niedrigen oder mäßigen Luftringdrücken leicht möglich, den notwendigen Luftstrom mit einem Motor von sehr viel geringerer Leistung, z.B. 50 kW oder sogar weniger, zu erlangen. Im allgemeinen weist der Motor eine Leistung von mindestens 75 kW auf. Der Motor wird bevorzugt durch ein Wärmeaustauschfluid gekühlt. Dabei kann es sich um ein Gas handeln, es ist aber im allgemeinen eine Flüssigkeit, normalerweise Wasser.
Ein typischer Axialkompressor wird mit einem Luftdurchsatz von etwa 2 bis 7 und häufig etwa 3,5 bis 4 kg/s betrieben und ergibt ein Druckverhältnis (Druck am Austritt aus dem Diffusor : Druck am Eintritt zur Einlasszone) von etwa 1,05 bis 1,3, häufig etwa 1,1 bis 1,25. Die große Luftstrommenge in Kombination mit dem relativ mäßigen Druckanstieg bedeutet, dass gewöhnlich ein Einstufen-Axialkompressor zum Einsatz in der Erfindung angemessen ist. Wenn es aber die Umstände erfordern, können zwei oder mehr Axialkompressoren in Reihe angeordnet werden, wobei der Stator des ersten in den Einlass des zweiten abgibt.
Die Antriebseinrichtung dreht den Kompressorrotor durch den Ringdurchgang. Der Rotor umfasst Rotorblätter. Die Radialabmessungen der Rotorblätter werden entsprechend der üblichen Praxis gewählt, um Eintritts-Stoßverluste zu minimieren. Daher sind die Abmessungen so gewählt, um die relative Mach-Zahl am Eintritt an der Rotorumrandung (der Außenoberfläche der sich drehenden Blätter) zu mini mieren. Die relative Mach-Zahl am Eintritt wird durch die periphere oder tangentiale Geschwindigkeit der Blätter und die Eintritts-Durchflussgeschwindigkeit bestimmt.
Es gibt einen Stator zwischen den Rotorblättern in der Kompressorposition und dem Ringdiffusor. Der Stator umfasst Statorblätter.
Die Antriebseinrichtung wird vorzugsweise koaxial in der Axialkompressor-Einheit montiert. Da es zweckmäßig ist, dass die Antriebswelle von dem Motor oder einer anderen Antriebseinrichtung zu den Blättern so kurz wie vernünftigerweise möglich ist, muss die Innenabmessung der Blätter, und vom Kompressor, ausreichend groß sein, um die Installation des Motors zu gestatten, und dies wird auch auf den Radius der Umrandung Einfluss nehmen.
Die relative Mach-Zahl am Eintritt liegt bevorzugt im Bereich zwischen etwa 0,55 und 0,75, im allgemeinen etwa 0,6 bis 0,7 (z.B. 0,65) an der Nabe und nahe an 1 an der Umrandung, im allgemeinen etwa 0,9 bis 1,1, bevorzugt etwa 1 bis 1,05.
Die Rotor-Luftablenkung ist bevorzugt klein und typischerweise ein gewöhnlicher Wert, z.B. etwa 12° bis 18°, bevorzugt etwa 15°, an der Nabe und 3° bis 8°, bevorzugt etwa 5°, an der Umrandung.
Entsprechende Werte für die Statorblätter sind eine Mach-Zahl am Eintritt von etwa 0,35 bis 0,5, typischerweise etwa 0,4 bis 0,45, ein Ablenkwinkel von typischerweise 25° bis 45°, bevorzugt etwa 30° bis 40° und eine Mach-Zahl am Austritt von typischerweise etwa 0,3 bis 0,4, bevorzugt etwa 0,35.
Die Verwirbelungskomponente der Austrittsströmung wird vorzugsweise im Stator im wesentlichen beseitigt.
Bei den vorstehend angegebenen Mach-Zahlen können der Rotor und die Statorblätter eine Tragflächenkonstruktion des Typs aufweisen, der als Doppelkreisbogen bekannt ist, da diese ihre Widerstandsfähigkeit fördert und gewährleistet, dass sie bei diesen Mach-Zahlen angemessen sind. Bei höheren Mach-Zahlen können dünnere Blätter bevorzugt sein, um den Wirkungsgrad zu verbessern.
Die Einlasskanal-Umrandungswand ist vorzugsweise trichterförmig gestaltet, da dies es erleichtert, die Grenzschicht am Rotoreinlass dünn zu halten. Dies ist vorteilhaft für die Leistung, da eine angemessene Durchflussgeschwindigkeit und damit der relative Strömungswinkel dann am empfindlichen Umrandungsbereich, bei dem die Mach-Zahl einen Peak aufweist, optimiert werden. Dies führt zu einem Axialkompressor mit einer Gestaltung mit geringem Verlust.
Die Nabenwand am Eintritt wird durch einen Becher definiert, der die Scheibenfrontfläche des Rotors bedeckt.
Die Richtung des Luftstroms stromaufwärts von dem Eintrittskanal kann entweder radial einwärts oder axial sein.
Zur Minimierung von Druckverlusten in der stromabwärtigen Leitung ist es zweckmäßig, die Durchflussgeschwindigkeit am Statoraustritt beträchtlich zu verringern und dies mit einem so geringen Abfall wie möglich zu tun. Zu diesem Zweck erstreckt sich der Ringdiffusor von nahe an den Statorblättern und es handelt sich bevorzugt um einen geradwandigen Ringdiffusor. Er weist bevorzugt ein Verhältnis von Länge zu Einlasshöhe von etwa 5 bis 9, im allgemeinen etwa 6 bis 8, z.B. 7, und ein Flächenverhältnis von etwa 1,9 bis 2,5, typischerweise etwa 2 bis 2,2, z.B. etwa 2,1, auf.
Diese Werte führen dazu, dass etwa 60 bis 70%, bevorzugt etwa 65%, der dynamischen Geschwindigkeit am Statoraustritt gewonnen werden, d.h. der statische Druck vom Diffusoreintritt zum Austritt erhöht sich um etwa 65% der Differenz zwischen Gesamtdruck und statischem Druck am Diffusoreintritt.
Dementsprechend kann die Durchflussgeschwindigkeit von etwa 100 bis 150 m/s, vorzugsweise etwa 120 bis 140 m/s, z.B. 130 m/s, am Eintritt auf etwa 40 bis 65 m/s, bevorzugt 50 bis 60 m/s, z.B. etwa 55 m/s, am Austritt mit einem nur geringen Verlust (z.B. 1 bis 1,5%) an Gesamtdruck verringert werden. Der adiabatische Gesamtwirkungsgrad für den Axialkompressor beträgt typischerweise etwa 80 bis 90%, z.B. 85%, in einer Austrittsebene des Stators und etwa 75% bis 85%, z.B. etwa 80%, in einer Austrittsebene des Diffusors.
Die Gesamtgestaltung des Kompressors ist bevorzugt so, dass der Kompressor einen hohen Wirkungsgrad (mindestens 75%) bezüglich der Umwandlung von elektrischer Energie in Strömungsenergie (Druckenergie und kinetischer Energie) aufweist.
Alle Werte, die vorstehend aufgeführt wurden, sind die Werte für die Auslegungs-Betriebsbedingungen des Axialkompressors. Natürlich kann er in einigen Fällen absichtlich oder unabsichtlich bei Bedingungen betrieben werden, die sich von diesen Auslegungen unterscheiden.
Die Kaskaden-Schleudervorrichtungseinheit ist vorzugsweise eine Einheit, in der jeder Zerfaserungsrotor koaxial mit einem Motor zum Antrieb dieses Rotors montiert ist. Auf diese Weise gibt es, wenn die Zentrifugal-Schleudervorrichtungseinheit eine übliche Einheit mit vier Rotoren ist, vier Motoren. Diese koaxiale Montage kann einen indirekten Antrieb beinhalten, wie in WO 96/38391, 4, gezeigt.
Vorzugsweise ist die Kaskaden-Schleudervorrichtungseinheit eine Einheit wie in PCT/EP01/..., eingereicht am gleichen Tag wie vorliegende, welche die Priorität von EP 00122246.2 beansprucht, Referenz PRL04337WO, beschrieben. Insbesondere umfasst die Kaskaden-Schleudervorrichtungseinheit bevorzugt eine Mehrzahl von individuellen Zentrifugalzerfaserungs-Schleudervorrichtungen, die jeweils ihr eigenes Schleudervorrichtungsgehäuse, einen Motor, der in diesem Gehäuse montiert ist, eine Achse, die wirksam von diesem Motor angetrieben wird und mit ihm koaxial ist und die von diesem Gehäuse umgeben ist, und eine Rotoranordnung, umfassend einen Innenflansch, der an der Achse montiert ist, und einen Rotor, der ablösbar an dem Flansch entfernt von dem Motor montiert ist, umfasst, wobei die Achse ein starres Element ist, das sich von innerhalb des Motors zum Flansch durch eine primäre Lageranordnung zwischen Achselement und dem Gehäuse, das die Achse umgibt, erstreckt, der Flansch unbeweglich an der Achse fixiert ist und die Schleudervorrichtung Durchgänge zum Durchleiten von flüssigem Kühlmittel durch das Gehäuse und zum Kühlen des Motors beinhaltet. Die Kombination dieser Schleudervorrichtungen mit der Kombination dieser Schleudervorrichtungseinheit mit dem Axialkompressor führt zu einer außergewöhnlich kompakten Schleudervorrichtungs-Anordnungseinheit, die sehr viel kleiner, leichter und einstellbarer ist, als jede frühere Schleudervorrichtungs-Anordnungseinheit.
Die Erfindung wird in den begleitenden Zeichnungen erläutert, worin
1 eine Seitenansicht von einer bevorzugten Schleudervorrichtungs-Anordnungseinheit ist, die einen Axialkompressor und eine Kaskaden-Schleudervorrichtung enthält,
2 ein Querschnitt an der Linie II–II dieser Einheit ist,
3 ein Querschnitt an der Linie III–III von dieser Einheit ist,
4 eine Vorderansicht dieser Einheit ist,
5 ein Querschnitt durch das Axialkompressorteil der Einheit ist (mit der Schleudervorrichtungseinheits-Komponente, die schematisch gezeigt ist).
Die in 1 gezeigte Schleudervorrichtungs-Anordnungseinheit umfasst einen Luftimpeller-Bereich 1, einen Schleudervorrichtungseinheits-Bereich 2 und einen Verbindungsbereich 3. Diese können alle in einem relativ fließenden Außenmetallgehäuse 41 (in 1 nicht gezeigt) montiert sein, das einen stromlinenförmigen Luftstrom entlang der Außenoberfläche der Schleudervorrichtungs-Anordnungseinheit ermöglicht. Die Schleudervorrichtungs-Anordnungseinheit ist gezeigt, wie sie auf Rädern 4 montiert ist, aber sie kann alternativ an einem Haken 40 aufgehängt sein. Rotoren 5, 6, 7 und 8 sind an der Vorderseite des Gehäuses 39 der Schleudervorrichtungseinheit montiert und werden durch koaxiale Motoren 42 angetrieben, was in 5 schematisch gezeigt ist. Schlitze 9 erstrecken sich um die Außenteile der Peripherie jedes Rotors 6, 7 und 8 und enthalten Blätter zur Orientierung der Luftströme, alles wie üblich. Diese Schlitze geben Primärluft ab. Wenn die Einheit gestaltet ist, um sowohl Sekundärluft als auch Primärluft bereitzustellen, kann die Sekundärluft durch Öffnungen an Positionen, wie solchen, die als 10 und 11 gezeigt sind, abgegeben werden.
Luft wird durch den Axialkompressor im Bereich 1 durch einen nachstehend diskutierten Luft-Ringdiffusor 33 zu einer im wesentlichen ringförmigen Diffusor-Auslassöffnung 14 gedrückt. Diese führt zu Luftdurchgängen (nicht gezeigt) im Verbindungsbereich 3, die zu üblichen Luftzufuhrdurchgängen 15 in dem Schleudervorrichtungsbereich 2 führen. Diese führen zu Schlitzen 9 (und zu Sekundärluft-Auslassöffnungen) in üblicher Weise. Die Schlitze 9 sind enger als die Durchgänge 15 und können so gestaltet sein, um als Düsen zur Beschleunigung der Luft beim Austritt durch die Schlitze zu wirken.
Am Rückseitenende des Luftimpellerbereichs 1 gibt es eine ringförmige Lufteinlassöffnung 20 und eine Geräuschsperre 21. Die ringförmige Lufteinlassöffnung 20 ist mit Filtermaterial bedeckt und führt in die Lufteinlasszone 22, die an ihre Außenfläche durch eine trichterförmige Umrandung 23 und an ihrer Innenoberfläche durch eine Nabe 24 definiert ist.
Die Einlasszone führt in ein ringförmiges Kompressorteil 25, das einen Kompressorring 26, Kompressorrotorblätter 27, einen Stator 31, einen wassergekühlten Elektromotor 28 und eine kurze Welle 29, die das Blatt 27 direkt antreibt, umfasst. Das Kühlwasser strömt durch die Einlassöffnung 35, um den ringförmigen Mantel 36 herum und durch die Auslassöftnung 37. Es kann durch die Schleudervorrichtungseinheit geführt und in die Faserwolke abgegeben werden.
Der Radius des Teils 30 des Rotors, der durch die Nabe 24 geschützt ist, sollte unter Berücksichtigung des Durchmessers des Motors 28 und der Zweckmäßigkeit, das die Welle 29 so kurz wie möglich ist, so klein wie möglich sein, wodurch die Gefahr exzentrischer Rotation der Welle minimiert wird.
Ein Statorblatt 31 ist stromabwärts des Rotorsblatts 27 entweder im Kompressorteil 25 oder im Ringdiftusor 33, der sich vom Kompressorteil bis zur Diftusorauslassöftnung 14 erstreckt, positioniert. Zusätzliche Statorblätter können im Ringdiffusorteil angeordnet sein, falls gewünscht.
In einem typischen Beispiel sind die Fläche, die Temperatur, die Drücke und die Luftgeschwindigkeiten an verschiedenen Punkten entlang der in 5 gezeigten Vorrichtung wie in der folgenden Tabelle gezeigt, wenn der Rotor mit 23.000 U/min rotiert.

Claims

Schleudervorrichtungs-Anordnung umfassend ein Luftzufuhrsystem (1) und mindestens eine Zentrifugal-Schleudervorrichtungseinheit (2), worin die oder jede Zentrifugal-Schleudervorrichtungseinheit (2) ein Schleudervorrichtungseinheit-Gehäuse (39), mindestens einen Zerfaserungsrotor (5, 6, 7, 8), der drehbar an dem Gehäuse montiert ist, zur Schleuderzerfaserung von glasartiger Schmelze, die auf den oder in den Rotor zugeführt wird, und eine Luftzufuhr-Auslasseinrichtung (9) von innerhalb des Gehäuses zum Zuführen eines Luftstroms in Nachbarschaft zu dem oder jedem Rotor zum Mitführen von Fasern, die von dem Rotor oder mindestens einem der Rotoren weg gebildet werden, und Luftzufuhrdurchgänge (15) in dem Gehäuse, die zu der Luftzufuhr-Auslasseinrichtung (9) führen, umfasst und das Luftzufuhrsystem (1) einen Luftimpeller zum Erzeugen eines Luftstroms durch die Luftzufuhrdurchgänge (15) und die Luftzufuhr-Auslasseinrichtung (9) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftimpeller direkt an der Schleudervorrichtungseinheit (2) angebracht ist oder indirekt an der Schleudervorrichtungseinheit (2) durch eine Leitung von weniger als 15 m Länge angebracht ist, und der Luftimpeller mindestens einen Axialkompressor umfassend eine Lufteinlasszone (22), ein Kompressorteil (25) und einen Ringdiffusor (33), der in Richtung der Luftzufuhrdurchgänge ablässt, umfasst, wobei das Kompressorteil (25) eine Antriebseinrichtung (28) und einen Ring (26), der von der Lufteinlasszone führt und durch den ein Kompressorrotor (27) durch die Antriebseinrichtung (28) gedreht wird, umfasst und das Kompressorteil (25) und/oder der Ringdiffusor (33) einen Stator (31) beinhalten, wobei der Stator die Verwirbelung im Diffusor minimiert, und worin der Kompressor so gestaltet ist, dass der rotierende Kompressorrotor (27) Luft in das Kompressorteil (25) zieht und Luft in den Diffusor (33) hinein beschleunigt und dadurch bewirkt, dass Luft mit steigendem Druck und sich verringernder Geschwindigkeit durch den Diffusor (33) befördert wird.
Anordnung nach Anspruch 1, in der es eine einzelne Schleudervorrichtungseinheit gibt, die direkt oder indirekt an dem Luftimpeller angebracht ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, in der der Luftimpeller indirekt an die Schleudervorrichtungseinheit durch eine Leitung von weniger als 5 m Länge angebracht ist und von der Leitung abnehmbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, in der der Luftimpeller direkt an der Schleudervorrichtungseinheit angebracht ist.
Anordnung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, in der die Schleudervorrichtungseinheit einen Zerfaserungsrotor umfasst, der zur Rotation um eine im wesentlichen vertikale Achse montiert ist und eine Scheibe oder einen Becher umfasst, auf die/den oder in die/den Schmelze gegossen wird und von der/dem Fasern von der Oberfläche der Scheibe oder dem Becher oder durch Perforationen in den Wänden des Bechers geschleudert werden.
Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, in der die Schleudervorrichtungseinheit mindestens drei Zerfaserungsrotoren umfasst, die um eine im wesentlichen horizontale Achse montiert sind, wodurch Schmelze, die auf einen ersten Rotor gegossen wird, auf die nachfolgenden Rotoren geschleudert wird und von diesen, und gegebenenfalls von dem ersten Rotor, als Fasern abgeschleudert wird.
Anordnung nach Anspruch 6, in der die Luftzufuhr-Auslasseinrichtung primäre Luftauslassöffnungen umfasst, die mit einem oder mehreren der Zerfaserungsrotoren verbunden sind, um Primärluft im wesentlichen axial nach vorne über die Oberfläche des oder jedes Rotors abzustrahlen.
Anordnung nach Anspruch 7, die zusätzlich sekundäre Luftzufuhr-Auslassöffnungen für die Luftzufuhr entfernt von der Oberfläche des oder jedes Rotors umfasst.
Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 8, in der der Luftimpeller und die Kaskadenschleudervorrichtungseinheit Ende an Ende als eine Schleudervorrichtungs-Anordnungseinheit montiert sind.
Anordnung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, in der die Lufteinlasszone des Axialkompressors als Trichterform gestaltet ist, die in Richtung zu einem zentralen konvexen Becher führt und ihn umgibt, wodurch ein ringförmiges Kompressorteil definiert wird.
Anordnung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, in der die Antriebseinrichtung koaxial mit dem Ringdiffusor und innerhalb des Ringdiffusors angeordnet ist.
Anordnung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, in der die Antriebseinrichtung eine Gasturbine ist.
Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, in der der Motor ein Elektromotor ist.
Anordnung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, in der die Luftzufuhr-Auslasseinrichtung Düsen zum Beschleunigen der unter Druck gesetzten Luft von dem Diffusor und durch die Auslasseinrichtung umfasst.
Anordnung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, in der der Luftimpeller mindestens zwei der Axialkompressoren in Reihe umfasst.
Anordnung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, in der die oder jede Zentrifugal-Schleudervorrichtungseinheit mindestens eine Schleudervorrich tung umfassend ein Schleudervorrichtungsgehäuse, einen Motor, der in diesem Schleudervorrichtungsgehäuse montiert ist, eine Achse, die in drehbarer Weise durch diesen Motor angetrieben wird und damit koaxial ist und von dem Gehäuse umgeben ist, und eine Rotoranordnung umfassend einen Innenflansch, der auf der Achse montiert ist, und einen Rotor, der in ablösbarer Weise auf dem Flansch entfernt von dem Motor montiert ist, umfasst, wobei die Achse ein starres Element ist, das sich von innerhalb des Motors zu dem Flansch durch eine primäre Lageranordnung zwischen dem Achselement und dem Gehäuse, das die Achse umgibt, erstreckt, der Flansch in unbeweglicher Weise an der Achse fixiert ist und die Einheit Durchgänge zum Durchleiten von flüssigem Kühlmittel durch das Gehäuse und zum Kühlen des Motors beinhaltet.