PL165794B1

PL165794B1 - Separator odsrodkowy powietrza PL

Info

Publication number: PL165794B1
Application number: PL91289026A
Authority: PL
Inventors: Alain Cordonnier
Original assignee: Fcb
Priority date: 1990-02-13
Filing date: 1991-02-11
Publication date: 1995-02-28
Also published as: CZ281227B6; DE69104081D1; DK0442788T3; FR2658096A1; FR2658096B1; EP0442788A2; RU2036027C1; EP0442788A3; AU7092891A; CS9100328A2; EP0442788B1; JPH04215875A; CA2036158C; ZA911053B; DE69104081T2; US5120431A; SK279035B6; AU629732B2; ES2062703T3; ATE111780T1

Abstract

1. Separator odsrodkowy powietrza, zawiera- jacy wirnik o osi pionowej zaopatrzony w lopaty roz- mieszczone równomiernie na jego obwodzie, lopatki kierownicze, otaczajace wirnik i stykajace sie ze stru- mieniem gazu przeplywajacego przez te lopatki ru- chem obrotowym wokól osi wirnika, elementy do wywolywania cyrkulacji strumienia gazu poprzez lo- patki i wirnik, elementy do wprowadzania sortowa- nych czastek miedzy lopatki i wirnik oraz centralny otwór wylotowy wirnika przez który usuwany jest strumien gazu zaw ierajacy czastki o wymiarach mniejszych od wymiaru wstepnie ustalonego, zna- mienny tym, ze wirnik (20) zawiera drugi zestaw lopat (35) usytuowanych miedzy obwodowymi lopa- tami (28) i osia wirnika (20), sluzacy do prowadzenia az do osiowego otworu wylotowego wirnika (20), strumien gazu wyplywajacych z obwodowych lapek (28). FIG. 1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest separator odśrodkowy powietrza przeznaczony do oddzielania ze strumienia cząstek stałych, zawieszonych w strumieniu gazu, których grubość jest większa od wstępnie określonego wymiaru.

Znany jest separator odśrodkowy powietrza, zawierający wirnik o osi pionowej, zaopatrzony w łopaty rozmieszczone równomiernie na jego obwodzie, łopatki kierownicze otaczające wirnik i stykające się ze strumieniem gazu przepływającego przez te łopatki ruchem obrotowym wokół osi wirnika, elementy do wywoływania cyrkulacji strumienia gazu poprzez łopatki i wirnik, elementy do wprowadzania sortowanych cząstek między łopatki i wirnik, oraz centralny

165 794 otwór wylotowy wirnika, przez który usuwany jest strumień gazu zawierający cząstki o wymiarach mniejszych od wymiaru wstępnie ustalonego.

W separatorach tego typu, cząstki zawieszone w strumieniu gazu są poddawane dwómprzeciwnym siłom, sile odśrodkowej wynikającej z ruchu obrotowego oraz oporowi przepływu wynikającemu z siły odśrodkowej strumienia gazu przepływającego w kierunku osiowego otworu odprowadzającego. Oddzielenie grubych cząstek dokonuje się na poziomie walcowej powierzchni zewnętrznej wirnika. Jeżeli rozdział strumienia gazu na całej wysokości turbiny jest jednolity, powstaje jedna krytyczna średnica cząstki lub średnica odcięcia odpowiadająca cząstce będącej w równowadze na powierzchni zewnętrznej wirnika. Cząstki o średnicy, większej od średnicy krytycznej są rzucane na łopatki siłą odśrodkową i w wyniku siły ciężkości spadają do zasobnika umieszczonego pod łopatkami. Natomiast cząstki o średnicy mniejszej od średnicy krytycznej są porywane przez strumień gazu poprzez wirnik w kierunku osiowego otworu odprowadzaj ącego.

W tych znanych urządzeniach, wirnik jest wyposażony w łopaty o niewielkiej szerokości umieszczone na jego obwodzie i podczas jego działania tworzy się w środku wirnika wir, w którym jest rozpraszana dość znaczna część energii kinetycznej strumienia gazu.

Celem wynalazku jest polepszenie osiągów i zmniejszenie zużycia energii separatora tego typu przez rozwiązanie umożliwiające ograniczenie turbulencji przepływu między łopatkami i wirnikiem, i uniknięcie tworzenia się wiru w wirniku.

Separator odśrodkowy powietrza według wynalazku charakteryzuje się tym, że wirnik zawiera drugi zestaw łopat usytuowanych między obwodowymi łopatami i osią wirnika, służący do prowadzenia aż do osiowego otworu wylotowego wirnika, strumienia gazu. zawierającego drobne cząstki, wypływającego z obwodowych łopat.

Korzystnie łopaty tego drugiego zestawu są usytuowane na całej wysokości wirnika i są umieszczone w płaszczyznach promieniowych, lub są nachylone względem tych płaszczyzn. Korzystnie dno wirnika usytuowane naprzeciw osiowego otworu wylotowego, jest ukształtowane tak, aby umożliwić przepływ gazu w kierunku otworu wylotowego. Korzystnie wirnik jest zamontowany swobodnie i ma elementy do regulacji ustawienia łopatek kierowniczych tak, aby utrzymać prędkość wirnika w założonej wartości. Korzystnie łopaty wirnika są ukształtowane tak, że szerokość kanałów utworzonych między łopatami wzrasta od zewnątrz do wnętrza wirnika. Korzystnie wirnik wraz z łopatami kierowniczymi jest zamknięty w obrotowej obudowie, której oś pokrywa się z osią wirnika i z osią przewodu doprowadzającego, przy czym przewód doprowadzający jest połączony z dolną częścią obudowy i średnica tej dolnej części obudowy jest nieco większa od średnicy przewodu. Korzystnie przewód doprowadzający jest przedłużony ku górze powyżej dna obudowy i razem z nią ogranicza przestrzeń pierścieniową, w której są zbierane ciężkie cząstki. Korzystnie separator ma co najmniej jedną pierścieniową kierownicę, umieszczoną wewnątrz obudowy w pewnej odległości powyżej górnego końca przewodu doprowadzającego. Korzystnie wirnik zawiera elementy do wprowadzania co najmniej części sortowanych cząstek od góry w przestrzeń pomiędzy obudową wirnika i łopatkami kierowniczymi.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest stworzenie możliwości separacji cząstek przy zmniejszeniu zużycia energii, ograniczeniu - szkodliwego zjawiska turbulencji przepływu i eliminacji tworzenia się wiru w wirniku przy jednoczesnym zwiększeniu efektywności pracy separatora.

Eliminacja wirów w wirniku i ograniczenie turbulencji stało się możliwe dzięki zastosowaniu drugiego zestawu łopat. Łopaty te mogą być płaskie lub mieć zakrzywienia, jak również mogą być utworzone przez przedłużenie w kierunku osi, łopat obwodowych. Część osiowa ścianki końcowej wirnika usytuowana na wprost otworu odprowadzającego może posiadać kształt profilowany, na przykład stożka ściętego, ułatwiający przepływ gazu w kierunku otworu odprowadzaj ącego.

Dzięki temu drugiemu zestawowi łopat, znaczna część energii kinetycznej strumienia gazu jest wykorzystywana do obracania wirnika, a to, umożliwia zwiększenie mocy zespołu napędowego. W niektórych warunkach zastosowania jest nawet możliwe usunięcie tego zespołu. Wtedy wirnik jest zamontowany swobodnie i ma elementy do regulacji ustawienia łopatek, tak aby

165 794 utrzymać prędkość wirnika w założonej wartości. Aby zwiększyć dokładność odcinania, jest korzystne gdy łopaty wirnika są ukształtowane tak, że szerokość kanałów utworzonych między łopatami wzrasta od zewnątrz do wnętrza wirnika tak, że siły odśrodkowe i opór przepływu, działające na cząstki, których średnica jest równa średnicy krytycznej, równoważą się praktycznie na całej długości tych kanałów.

Jak we wszystkich urządzeniach tego typu, łopatki kierownicze i wirnik są otoczone obudową, tworzącą wokół tych łopatek kierowniczych, komorę pierścieniową, do której jest doprowadzony strumień gazu i ewentualnie materiały sortowane. Strumień gazu może być doprowadzony do tej komory stycznie lub równolegle do osi urządzenia, od dołu. Surowce mogą być zawieszone w strumieniu gazu przed jego wejściem do komory lub wprowadzane oddzielnie od góry do przestrzeni między wirnikiem i łopatkami kierowniczymi, przy czym te dwa sposoby zasilania mogą być stosowane jednocześnie.

Korzystną cechą separatora według wynalazku jest również fakt, że może zawierać zasobnik w kształcie odwróconego stożka ściętego umieszczonego pod łopatkami i wirnikiem do zbierania cząstek, oddzielonych od strumienia gazu, których wymiary są większe od wymiarów wstępnie określanych, obudowę otaczającą łopatki i zasobnik oraz przewód pionowy do doprowadzenia strumienia gazu zawierającego sortowane cząstki, który to przewód jest połączony z częścią dolną tej obudowy a przewód, zasobnik i obudowa są współosiowe. W płaszczyźnie, w której przewód ma zakończenie w obudowie, średnica tej obudowy jest nieco większa od średnicy przewodu tak, że gaz zawierający cząstki wchodząc do obudowy jest poddany rozprężaniu powodującemu opadanie ciężkich cząstek na dno obudowy, która jest zaopatrzona w odprowadzający otwór do odprowadzania tych cząstek. Przewód może być przedłużony ku górze powyżej dna obudowy i razem z nią ograniczać przestrzeń pierścieniową, w której są zbierane ciężkie cząstki oddzielone ze strumienia powietrza w tak utworzonej strefie rozprężenia. Korzystnie jest gdy separator posiada co najmniej jedną pierścieniową kierownicę przymocowaną na zewnątrz zasobnika, w pewnej odległości powyżej górnego końca przewodu, która może być przymocowana na zewnątrz zasobnika aby zakrzywiać strumień gazu i ułatwić oddzielanie grubych cząstek.

Korzystnie jest także jeśli separator zawiera obudowę otaczającą łopatki ograniczającą razem z tymi łopatkami pierścieniową komorę doprowadzającą strumień gazu, elementy do wprowadzenia co najmniej części sortowanych cząstek od góry między wirnikiem i łopatkami oraz przewody doprowadzające strumień gazu do tej komory stycznie lub od dołu.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania rysunku, na którym fig. 1 przedstawia separator odśrodkowy, w przekroju pionowym, fig. 2 - separator z fig. 1 w przekroju poziomym a fig. 3 - dwie łopatki wirnika separatora, w przekroju poprzecznym.

Separator zawiera obudowę 10 /fig. 1/ stanowiącą korpus urządzenia i utworzoną z górnej części walcowej, z części pośredniej w kształcie odwróconego stożka ściętego, z dolnej części walcowej połączonej z małą podstawą ściętego stożka i z nachylonego dna zawierającego w swoim najniżej położonym punkcie odprowadzający otwór 12. Przewód 14 doprowadzający gaz zawierający cząstki, które mają być sortowane, przechodzi przez dno obudowy i jest przedłużony ku górze aż do płaszczyzny połączenia części pośredniej i części dolnej. Przewód 14 jest umieszczony współosiowo z obudową a jego koniec jest rozszerzony.

W swojej części górnej, obudowa jest zamknięta pokrywą 16 zawierającą osiowy otwór, na brzegu którego jest dołączony przewód 18 odprowadzający gaz.

Wirnik 20 jest umieszczony w części górnej obudowy, współosiowo z tą obudową. Jest on zamocowany do dolnego końca pionowego wału 22 zmontowanego za pośrednictwem łożysk tocznych, w rurowym wsporniku 24 przymocowanym do pokrywy 16. Wał jest sprzężony z zespołem napędowym 26 o zmiennej prędkości umożliwiającym napęd obrotowy wirnika z żądaną prędkością.

Wirnik 20 zawiera dużą ilość pionowych łopat regularnie rozmieszczonych na jego obwodzie. Końce dolne i górne łopat są przymocowane odpowiednio do dna 30 utworzonego przez płaski pierścień i przez ścięty stożek połączony współosiowo z wałem 22, i do pierścienia 32. Labiryntowe uszczelnienie 34 przymocowane do pokrywy 16 zapewnia szczelność między tą pokrywą i wirnikiem.

165 794

Łopaty 28 mająjako płaszczyznę symetrii, płaszczyznę usytuowaną w osi wirnika, a kanały utworzone między łopatkami mają szerokość, która wzrasta z zewnątrz do wnętrza wirnika, czyli L1< L2 /fig.3/ tak, że siła odśrodkowa i opór przepływu działające o cząstkę o średnicy krytycznej, czyli średnicy decydującej o przerwaniu działania urządzenia, wyrównują się praktycznie na całej długości kanałów. Określając jako Fc1, Ft1 siły odśrodkowe i opory przepływu na wejściu kanału, a Fc2, Ft2, te same siły na wyjściu z kanału, to warunek ftmkcjonowania urządzenia jest określany przez poniższe zależności:

Fc1 = Ft1 i Fc2 = Ft2

Kształt łopat może być łatwo określony wychodząc z powyższych formuł matematycznych tłumaczących równość sił odśrodkowych i oporów przepływu działających na cząstki o określonej gęstości i średnicy przy określonej prędkości wirnika. Warunki równowagi będą mogły być spełnione dla danego kształtu łopat, dla różnych średnicy krytycznych, po odpowiednim dostosowaniu prędkości obrotowych wirnika.

Łopaty 28 zamiast być rozmieszczone promieniowo mogą tworzyć kąt z płaszczyznami promieniowymi, przy czym szerokość kanałów organicznych przez łopaty zwiększa się z zewnątrz do wnętrza wirnika.

Ponadto wirnik zawiera drugi zestaw łopat 35 umieszczonych między łopatami 28 i osią wirnika. W przedstawionym przykładzie łopaty 35 są utworzone przez płaskie blachy usytuowane w płaszczyznach pionowych przechodzących przez oś wirnika, i są przymocowane do stożkowej części środkowej dna 30 i do górnego pierścienia 32. Celem tych łopat jest uniknięcie tworzenia się wiru we wnętrzu wirnika i umożliwienie odzyskania znacznej części energii strumienia gazu przechodzącego przez wirnik. Łopaty 35 mogą być nachylone i/lub tworzyć kąt z płaszczyzną przechodzącą przez oś wirnika, mogą one także być ukształtowane jako łopaty turbiny. Tak utworzony wirnik jest podobny do wirnika sprężarki odśrodkowej, która działa jako maszyna wirowa odbierająca energię z ciągłego strumienia płynu w celu jej przemiany w energię mechaniczną.

Ta konstrukcja wirnika umożliwia uniknięcie powstania wiru, który tworzyłby się wewnątrz wirnika jeśli byłby on pozbawiony łopat 35, a wskutek tego umożliwia odzyskanie energii, która w przeciwnym przypadku byłaby stracona w tym wirze, a przez zmniejszenie prędkości przepływu gazu, umożliwia zmniejszenie zużycia przez ścieranie i straty obciążenia.

Wirnik jest otoczony przez szereg kołowych łopatek pionowych regularnie rozmieszczonych wokół tego wirnika. Te łopatki są zaopatrzone na ich końcach w czopy 38 umieszczone w otworach w górnym pierścieniu 40 przymocowanym do górnego końca obudowy i dolnego pierścienia 42 zamontowanego na górnym brzegu stożkowego zasobnika 44 umieszczonego pod wirnikiem w części stożkowej obudowy, i podpartego na stopach 46 przymocowanych do tej obudowy.

Czopy górne są zaopatrzone w dźwignie 48 połączone ze sobą przez pierścień tak, że niezależnie od ukierunkowania tych dźwigni, wszystkie łopatki tworzą ten sam kąt z odpowiednią płaszczyzną promieniową. Oddziaływując na pierścień można zdalnie regulować położeniem łopatek.

Działanie opisanego separatora jest następujące. Strumień gazu zawierający cząstki, które mają być sortowane, przepływa z dołu do góry przewodem 14. Wówczas gdy osiągnie on górny koniec przewodu jest poddany gwałtownemu rozprężaniu z powodu znacznej różnicy średnic przewodu i obudowy, która go otacza na tym poziomie. Wynika stąd zmniejszenie prędkości gazu, które umożliwia największym cząstkom spadanie na dno obudowy do przestrzeni pierścieniowej utworzonej między końcem przewodu i obudową a następnie ich odprowadzenie otworem 12. Jedna lub kilka pierścieniowych kierownic 50 może być zamocowanych do zasobnika 44 powyżej przewodu 14 aby polepszyć tą separację.

Strumień gazu podnosi się następnie aż do części górnej obudowy 10 zachowując praktycznie stałą prędkość, a następnie przepływa między łopatkami 36, które mu nadają ruch kołowy, i dalej przepływa w wirniku przez kanały utworzone między łopatkami 28. Cząstki, których wymiary są mniejsze od średnicy krytycznej, są napędzane w wirniku przez strumień gazu a

165 794 następnie usuwane z nim przez przewód 18, który jest połączony do wlotu wentylatora poprzez odpylacz umożliwiający oddzielanie cząstek strumienia gazu. Cząstki których wymiary są wyższe od średnicy krytycznej, są utrzymywane na zewnątrz wirnika przez siłę odśrodkową i spadają w wyniku siły ciężkości do zasobnika 44 poprzez pierścieniową szczelinę utworzoną między wirnikiem i pierścieniem 42. Jeśli jedna z tych dużych cząstek przeniknie przypadkowo w jeden z kanałów wirnika będzie ona odrzucona na zewnątrz ponieważ kształt tych kanałów jest taki, że siła odśrodkowa wywierana na taką cząstkę jest większa od oporu przepływu na całej długości kanału. Cząstki zbierane w zasobniku 44 są usuwane przewodem 45.

Jak to wskazano powyżej, co najmniej część cząstek, które mają być sortowane może być wprowadzona przez jedno lub kilka wejść 17 usytuowanych powyżej pierścienia 32 wirnika, i może być wyrzucana siłą odśrodkową na osłonę otaczającą pierścień 32 aby następnie spaść w przestrzeń między łopatkami 36 i wirnikiem a następnie może być umieszczona w strumieniu gazu krążącym poprzecznie.

Średnica krytyczna zależy dla danego wydatku gazu, od prędkości obrotowej wirnika. Wybrana wartość tej prędkości jest utrzymywana przez regulację prędkości obrotowej zespołu napędowego 26. Zważywszy, że dzięki rozwiązaniu według wynalazku moc przekazywana na wirnik przez strumień gazu, który przez niego przepływa, może być wyższa od mocy która jest konieczna dla obracania wirnika z założoną prędkością, zespół napędowy 26 musi być przystosowany do działania, będąc hamowany z regulowaną prędkością. Usytuowanie łopatek 36 jest dostosowywane w zależności od prędkości wirnika tak, że styczna składowa prędkości gazu i cząstek, do obwodu wirnikajest w przybliżeniu równa prędkości obrotowej wirnika. Taregulacja może być dokonana ręcznie lub samoczynnie. To rozwiązanie umożliwia uniknięcie uderzenia cząstek o łopaty wirnika i otrzymanie jednakowej prędkości przepływu na całej szerokości kanałów między łopatami wirnika.

Dla niektórych zastosowań jest możliwe usunięcie zespołu napędowego 26, przy czym wówczas wirnik jest zamontowany swobodnie. W tym przypadku prędkość wirnika jest utrzymywana w założonej wartości odpowiadającej wybranej średnicy krytycznej, przez regulację usytuowania łopatek 36.

Ta możliwość daje znaczne oszczędności ponieważ umożliwia nie tylko usunięcie zespołu napędowego wirnika ale także zastosowanie lżejszej konstrukcji wspornika dla wirnika. Strumień gazu zamiast być doprowadzany osiowo od dołu jak w opisywanym urządzeniu może być również doprowadzony stycznie do obudowy na poziomie łopatek 36.

W przykładzie wykonania przedstawionym na rysunkach zwiększenie przekroju poprzecznego od wejścia do wyjścia kanałów utworzonych między łopatkami wirnikajjest osiągnięte wyłącznie przez zwiększenie ich szerokości. Można również zwiększyć także ich wysokość zastępując płaską część obwodową dna 401 pierścienia 32 przez pierścienie w kształcie ściętych stożków zwróconych do siebie większymi podstawami. Jest oczywiste, że ulepszenia wynikające z zastąpienia równoważnymi środkami technicznymi wchodzą w zakres tego wynalazku.

165 794

FIG.2 ι

I

165 794

FIG .

Departament Wydawnictw UP RP Nakład 90 egz Cena 1,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Separator odśrodkowy powietrza, zawierający wirnik o osi pionowej zaopatrzony w łopaty rozmieszczone równomiernie na jego obwodzie, łopatki kierownicze, otaczające wirnik i stykające się ze strumieniem gazu przepływającego przez te łopatki ruchem obrotowym wokół osi wirnika, elementy do wywoływania cyrkulacji strumienia gazu poprzez łopatki i wirnik, elementy do wprowadzania sortowanych cząstek między łopatki i wirnik oraz centralny otwór wylotowy wirnika przez który usuwany jest strumień gazu zawierający cząstki o wymiarach mniejszych od wymiaru wstępnie ustalonego, znamienny tym, że wirnik (20) zawiera drugi zestaw łopat (35) usytuowanych między obwodowymi łopatami (28) i osią wirnika (20), służący do prowadzenia aż do osiowego otworu wylotowego wirnika (20), strumień gazu wypływających z obwodowych łapek (28).

2. Separator według zastrz. 1, znamienny tym, że łopaty (35) są usytuowane na całej wysokości wirnika (20) i są umieszczone w płaszczyznach promieniowych, lub są nachylone względem tych płaszczyzn.

3. Separator według zastrz. 1, znamienny tym, że dno (30) wirnika (20) usytuowane naprzeciw osiowego otworu wylotowego, jest ukształtowane tak, aby umożliwić przepływ gazu w kierunku otworu wylotowego.

4. Separator według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że wirnik ⁽²⁰⁾ j^es^tzamontowany swobodnie i ma elementy do regulacji ustawienia łopatek kierowniczych (36) utrzymujące prędkość wirnika (20) w założonej wartości.

5. Separator według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że łopaty (28) wirnika (20) są ukształtowane tak, że szerokość kanałów utworzonych między łopatami (28) wzrasta od zewnątrz do wnętrza wirnika.

6. Separator według zastrz. 1, znamienny tym, że wirnik (20) wraz z łopatkami kierowniczymi (36) jest zamknięty w obrotowej obudowie (10), której oś pokrywa się z osią wirnika i z osią przewodu doprowadzającego (14), przy czym przewód doprowadzający (14) jest połączony z dolną częścią obudowy (10) i średnica tej dolnej części obudowy (10) jest nieco większa od średnicy przewodu doprowadzającego (14).

7. Separator według zastrz. 6, znamienny tym, że przewód doprowadzający (14) jest przedłużony ku górze powyżej dna obudowy (10) i razem z nią ogranicza przestrzeń pierścieniową, w której są zbierane ciężkie cząstki.

8. Separator według zastrz. 6 albo 7, znamienny tym, że ma co najmniej jedną pierścieniową kierownicę (50), umieszczoną wewnątrz obudowy (10) w pewnej odległości powyżej górnego końca przewodu doprowadzającego (14).

9. Separator według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 6, albo 7, znamienny tym, że wirnik (20) zawiera elementy (32) do wprowadzania co najmniej części sortowanych cząstek od góry w przestrzeń pomiędzy obudową (10) wirnika i łopatkami kierowniczymi (36).