Самобалансирующийся барабан центробежного сепаратора

Самобалансирующийся барабан центробежного сепаратора Полезная модель относится к оборудованию для разделения на фракции жидких смесей и очистки их от твердых загрязняющих частиц в поле действия центробежных сил и может быть использована в роторных механизмах с вертикальной осью вращения, преимущественно в сепараторах самого различного назначения (топливных, масляных, молочных, пищевой очистки, мясопереработки и пр.), рабочий процесс которых производится на скоростях вращения ротора в диапазоне его закритических (резонансных) оборотов.

Барабан центробежного сепаратора содержит корпус, смонтированный на консоли верхней части вертикально вращающегося вала, закрепленного в неподвижной станине сепаратора двумя подшипниковыми опорами, верхняя из которых подпружинена. Корпус барабана включает в себя основание, крышку, соединяющую их большую кольцевую гайку, а также гайку, установленной на горловине корпуса. Барабан содержит балансирующее устройство для автоматической компенсации небаланса барабана при его вращении в диапазоне закритических скоростей, выполненное в виде концентрично расположенной относительно оси вращения барабана замкнутой кольцевой камеры, имеющей внутреннюю кольцевую полость прямоугольного поперечного сечения, в которой размещен комплект стальных шариков малого диаметра. Шарики размещены в кольцевой полости с возможностью свободного перемещения по внешней стенке кольцевой полости в два и боле ряда, при этом при плотном размещении шариков в кольцевой полости в один слой они занимают не более половины площади поверхности ее внешней стенки.

Самобалансирующийся барабан центробежного сепаратора

Полезная модель относится к оборудованию для разделения на фракции жидких смесей и очистки их от твердых загрязняющих частиц в поле действия центробежных сил и может быть использована в роторных механизмах с вертикальной осью вращения, преимущественно в сепараторах самого различного назначения (топливных, масляных, молочных, пищевой очистки, мясопереработки и пр.), рабочий процесс которых производится на скоростях вращения ротора в диапазоне его закритических (резонансных) оборотов.

Центробежные сепараторы по своему принципу действия допускают появление и накопление в процессе работы неуравновешенности рабочего органа - барабана сепаратора. Кроме того, опыт эксплуатации сепараторов показал, что любые регламентные, профилактические или ремонтные работы, связанные с разборкой барабана (чистка полостей и каналов, замена прокладок, уплотнительных колец, регулировочных шайб и пр.) неизбежно сопровождаются изменением исходного уровня сбалансированности барабана.

Неуравновешенность барабана порождает вибрацию, которая создает дополнительную динамическую нагрузку на подшипники опор вертикального вала сепаратора, а достигнув определенного уровня, затрудняет процесс разделения фракций, создает утечки жидкости между разделенными зонами, приводит к повышению энергопотребления, шумности и т.д.

Внутри корпуса барабана сепаратора размещается комплекс сложных систем, обеспечивающих поступление, распределение и разделение на фракции жидкой смеси, отвод разделенных фракций, очистку периферийной зоны барабана от шлама и др. Эти системы, находящиеся на вращающемся роторе, требуют герметизированных сопряжений с соответствующими системами и магистралями на неподвижном корпусе сепаратора. Надежность этих сопряжений может быть обеспечена только при низком уровне вибрации барабана, что предопределяет необходимость его постоянного самобалансирования.

Поскольку область применения сепараторов и подобных им по принципу действия устройств достаточно широка, накоплен большой опыт их эксплуатации и существуют различные способы снижения негативного воздействия вибрации рабочего органа.

Известны устройства для автоматического вмешательства в работу сепаратора при превышении допустимых уровней вибрации барабана, использующие датчики вибрации, по команде которых специальные заполнительные системы переводят сепаратор в режим полной остановки барабана (патент США 4099667, публикация 1978 г) или производят плавное снижение скорости вращения барабана. Например, заполнением пеной пространства между барабаном и кожухом корпуса сепаратора (патент США 7070553, публикация 2006 г.).

Недостаток таких устройств заключается в том, что будучи эффективными в предаварийных ситуациях, они не способствуют снижению вероятности возникновения этих ситуаций и не позволяют оперативно установить причины неисправностей.

Известен другой, более рациональный подход, примененный в центрифугах и дробильных установках, направленный на устранение основной причины возникновения вибрации - неуравновешенности рабочего органа - с помощью установки на вал с рабочим органом балансирующих устройств типа пассивных или активных автобалансиров (патент РФ 2259238, публикация 2003 г., патент РФ 2302295, публикация 2005 г., патент РФ 2147733, публикация 1999 г., патент РФ 2148438, публикация 1999 г.).

Недостатком известных балансирующих устройств является сложность их конструкций, которые к тому же требуют для своего размещения значительного дополнительного пространства на роторе, что для многих видов промышленного оборудования с отлаженной технологией серийного производства (например, для сепараторов) оказывается неприемлемым как по экономическим, так и по техническим соображениям.

В качестве прототипа полезной модели выбран барабан серийно производимого судового топливного центробежного сепаратора серии WHPX фирмы «Лаваль» (Э.В.Корнилов и др., «Судовые сепараторы», Одесса, студия «Негоциант», 2005 г., стр.14-55).

Барабан смонтирован на консоли верхней части вертикального вала, закрепленного в неподвижном корпусе сепаратора двумя подшипниковыми опорами. Верхняя подшипниковая опора вала подпружинена, нижняя - упорная. Вал с барабаном приводится во вращение электродвигателем, привод которого соединен с валом в промежутке между подшипниковыми опорами. Корпус барабана, представляющий из себя тело вращения, состоит из основания и крышки, соединенных вместе большой кольцевой гайкой. Внутри корпуса барабана размещены и вращаются вместе с ним системы, обеспечивающие сепарацию и очистку жидкой смеси. На горловине корпуса барабана сверху закрепляется малая кольцевая гайка, фиксирующая в осевом направлении неподвижные магистрали подвода жидкой смеси и отвода разделенных фракций.

Технической задачей, для решения которой предназначена заявляемая полезная модель, является снижение уровня вибрации вращающегося барабана сепаратора путем организации процесса автоматической компенсации его неуравновешенности с помощью конструктивно простого и компактного устройства, закрепляемого в функционально свободной (нерабочей) зоне на внешней поверхности корпуса барабана.

Сущность предложенной полезной модели заключается в следующем.

Барабан центробежного сепаратора содержит корпус, смонтированный на консоли верхней части вертикально вращающегося вала, закрепленного в неподвижной станине сепаратора двумя подшипниковыми опорами, верхняя из которых подпружинена. Корпус барабана включает в себя основание, крышку, соединяющую их большую кольцевую гайку, а также гайку, установленную на горловине корпуса. Барабан содержит балансирующее устройство для автоматической компенсации небаланса барабана при его вращении в диапазоне закритических скоростей, выполненное в виде концентрично расположенной относительно оси вращения барабана замкнутой кольцевой камеры, имеющей внутреннюю кольцевую полость прямоугольного поперечного сечения, в которой размещен комплект стальных шариков малого диаметра. Шарики размещены в кольцевой полости с возможностью свободного перемещения по внешней стенке кольцевой полости в два и боле ряда, при этом при плотном размещении шариков в кольцевой полости в один слой они занимают не более половины площади поверхности ее внешней стенки.

Кольцевая камера балансирующего устройства может быть размещена на большой кольцевой гайке, соединяющей крышку корпуса барабана с его основанием, на внешней поверхности крышки корпуса барабана в любой ее функционально свободной (нерабочей) зоне, а также на гайке горловины корпуса барабана.

Кольцевая камера с замкнутой кольцевой полостью может изготавливаться в виде отдельной детали, присоединяемой к барабану, или формироваться непосредственно конструкцией профиля крышки корпуса барабана, большой кольцевой гайки, или гайки горловины барабана.

На фиг.1 схематично изображен предлагаемый барабан сепаратора с элементами его закрепления и кинематики и с указанием мест возможного размещения кольцевой камеры; на фиг.2 изображена кольцевая камера и расположение шариков-противовесов в кольцевой полости при невращающемся барабане; на фиг.3 - разрез АА на фиг.2 с учетом вращения барабана; на фиг.4 - положение шариков-противовесов в финальной стадии процесса компенсации дисбаланса вращающегося барабана.

Барабан включает в себя корпус 1, состоящий из основания 2, крышки 3 и соединяющей их большой кольцевой гайки 4, гайку 5 горловины 6 корпуса, фиксирующую в осевом направлении неподвижные магистрали подвода жидкой смеси и отвода разделенных фракций.

Корпус барабана смонтирован на консоли верхней части вертикального вала 7, закрепленного в неподвижном корпусе сепаратора двумя подшипниковыми опорами 8, 9. Верхняя подшипниковая опора 8 вала подпружинена, нижняя 9 - упорная.

Элементы сепаратора, размещенные внутри барабана и вращающиеся вместе с ним на консоли вертикального вала вместе с корпусом, на чертеже не показаны.

Барабан сепаратора содержит устройство для автоматической компенсации дисбаланса барабана при его вращении в диапазоне закритических скоростей, выполненное в виде расположенной концентрично оси вращения барабана кольцевой камеры 10 с внутренней замкнутой кольцевой полостью 11 и размещенными в ней стальными шариками-противовесами 12.

Кольцевая полость 10, имеющая прямоугольное поперечное сечение и гладкую внутреннюю поверхность, заполнена комплектом стальных шариков-противовесов 12 так, что при плотном расположении в один слой на внешней стенке (ободе) полости 12 шарики-противовесы 12 занимают не более половины площади ее поверхности.

Высота кольцевой полости 10 обеспечивает свободное движение шариков 12 по ободу в два и более ряда.

В исходном положении до начала вращения барабана шарики находятся в нижней части кольцевой полости, располагаясь случайным образом. С началом вращения барабана силой трения о стенки шарики вовлекаются в движение и под действием центробежного ускорения переходят с нижней стенки на вертикальную внешнюю стенку полости и приобретают возможность свободно двигаться по ней в несколько рядов независимо друг от друга.

После достижения ротором критических (резонансных) оборотов взаимодействие обода с шариками-противовесами при наличии дисбаланса барабана порождает балансирующие силы, стремящиеся переместить противовесы по ободу из любого положения в зону контрдисбаланса. В начальной стадии этого процесса шарики занимают случайные положения и потому обладают максимально возможной подвижностью. В поле балансирующих сил шарики начинают быстро двигаться в зону контрдисбаланса, образуя два встречных потока. Столкновение потоков происходит в зоне контрдисбаланса и порождает там лавинообразное многократное соударение шариков друг с другом и с боковыми стенками полости. За счет потерь энергии на деформацию материала шариков при их соударениях происходит быстрая остановка шариков-противовесов (демпфирование «релейного» типа) и накопление уравновешивающей дисбаланс массы в зоне контрдисбаланса.

Одновременно поле балансирующих сил ослабевает до нуля, и шарики, не вошедшие в балансирующую группу, останавливаются на ободе, занимая случайные положения, не нарушающие в целом достигнутого уравновешивания барабана.

Это положение шариков-противовесов сохраняется неизменным при вращении барабана с различными скоростями как при дальнейшем разгоне ротора до рабочих оборотов, так и при его торможении вплоть до почти полной остановки. Однако, в случае разбалансировки барабана во время его вращения в закритической области скоростей автоматически происходит соответствующее изменение положения и состава балансирующей группы шариков-противовесов, восстанавливающее балансировку барабана.

Количество и параметры шариков-противовесов, достаточное по своей массе для компенсации заданного максимально возможного дисбаланса барабана, определяется расчетным путем и может содержать от нескольких десятков до нескольких сотен шариков.

Прямоугольная форма поперечного сечения кольцевой полости делает балансирующее устройство простым в изготовлении и позволяет, используя шарики малого диаметра, обеспечить его компактность, что, в свою очередь, значительно расширяет возможности размещения устройства на барабане центробежного сепаратора без заметного вмешательства в его исходную конструкцию.

1. Барабан центробежного сепаратора, включающий в себя корпус, смонтированный на консоли верхней части вертикально вращающегося вала, закрепленного в неподвижной станине сепаратора двумя подшипниковыми опорами, верхняя из которых подпружинена, и состоящий из основания, крышки, соединяющей их большой кольцевой гайки и гайки, установленной на горловине корпуса, отличающийся тем, что он содержит балансирующее устройство для автоматической компенсации небаланса барабана при его вращении в диапазоне закритических скоростей, выполненное в виде концентрично расположенной относительно оси вращения барабана замкнутой кольцевой камеры, имеющей внутреннюю кольцевую полость прямоугольного поперечного сечения, в которой размещен комплект стальных шариков малого диаметра, причем шарики размещены в кольцевой полости с возможностью свободного перемещения по внешней стенке кольцевой полости в два и боле ряда, при этом при плотном размещении шариков в кольцевой полости в один слой они занимают не более половины площади поверхности ее внешней стенки.

2. Барабан центробежного сепаратора по п.1, отличающийся тем, что кольцевая камера размещена на большой кольцевой гайке.

3. Барабан центробежного сепаратора по п.1, отличающийся тем, что кольцевая камера размещена на внешней поверхности крышки в любой ее функционально свободной (нерабочей) зоне.

4. Барабан центробежного сепаратора по п.1, отличающийся тем, что кольцевая камера размещена на гайке горловины.