用于清洁气体的离心分离器的制作方法

1.本发明涉及用于清洁包含液体污染物的气体的离心分离器的领域。特别地，本发明涉及清洁燃烧发动机的曲轴箱气体以除油粒子。


背景技术：

2.众所周知，可通过使用离心分离器来使具有不同密度的流体的混合物彼此分离。此类分离器的一个特定用途在于从排出自曲轴箱(其形成内燃发动机的部分)的气体中分离油。
3.关于分离器的该特定用途，对于出现(found)在内燃发动机的燃烧室中的高压气体来说可存在泄漏通过相关联的活塞环且到发动机的曲轴箱中的趋势。气体到曲轴箱中的该连续泄漏可导致曲轴箱内的压力非期望地增加，且因此导致需要将气体从壳(casing)中排出。排出自曲轴箱的此类气体典型地携载一些发动机油(作为滴或细雾)，该发动机油从容纳于曲轴箱中的油的储器获得。
4.为了允许所排出的气体引入到入口系统中而不会还引入不想要的油(特别是到涡轮增压系统中，其中压缩机的效率可由油的存在而受不利影响)，有必要在气体引入到入口系统中之前清洁所排出的气体(即，去除由气体携载的油)。该清洁过程可由离心分离器进行，该离心分离器安装在曲轴箱上或邻近曲轴箱，且该离心分离器使清洁的气体引导到入口系统并使分离的油引导回到曲轴箱。例如在us8,657,908中公开此类分离器的示例。此类分离器通常包括多个分离盘(其例如布置成堆叠或布置为轴向延伸的表面板)，且油从气体中的分离发生在此类盘之间，其中收集于盘上的油径向向外抛到周围壁。
5.然而，存在于待清洁的气体中的油在未通过用于分离的器件(诸如通过分离盘的堆叠)的情况下存在通过分离器逸出的风险。
6.因此，本领域中需要改进的解决方案来用于降低油携带(carry-over)到清洁的气体中的风险。


技术实现要素：

7.本发明的目标是至少部分地克服现有技术的一个或多个限制。特别地，目标是提供一种离心分离器，其中油携带到清洁的气体中的风险降低。
8.作为本发明的第一方面，提供一种用于清洁包含污染物的气体的离心分离器，其包括
9.静止(stationary)壳，该静止壳包围分离空间，气流允许通过该分离空间，
10.气体入口，该气体入口延伸通过静止壳且允许供应待清洁的气体，
11.旋转部件，该旋转部件包括布置在分离空间中的多个分离部件且布置成围绕旋转轴线(x)旋转，
12.气体出口，该气体出口构造成允许排出清洁的气体且包括通过静止壳的壁的出口开口，
13.排放出口，该排放出口布置在静止壳的下部部分中且构造成允许排出从待清洁的气体中分离的液体污染物，
14.驱动部件，该驱动部件用于使旋转部件旋转；
15.且其中，离心分离器还包括延伸到分离空间中的静止轴向表面，且旋转部件包括布置在静止轴向表面的径向外侧的可旋转轴向表面；
16.且其中，可旋转轴向表面布置在气体入口处，使得存在于待清洁的气体中的液体污染物在操作期间压靠可旋转轴向表面，且进一步其中
17.旋转部件包括边缘部分，该边缘部分从可旋转轴向表面径向向内延伸，使得可旋转轴向表面布置在比边缘部分的最内部部分更大的半径处。边缘部分在旋转部件和静止轴向表面之间形成环状密封间隙。
18.如本文中使用的，用语“轴向”表示平行于旋转轴线(x)的方向。相应地，诸如“上方”、“上”、“顶部”、“下方”、“下”和“底部”之类的相对用语是指沿旋转轴线(x)的相对位置。对应地，用语“径向”表示从旋转轴线(x)径向延伸的方向。“径向内部位置”或“更大的半径”因此是指与“径向外部位置”或“更小的半径”相比更接近于旋转轴线(x)的位置。
19.气体中的污染物可包括液体污染物(诸如油)和烟灰。
20.因此，离心分离器可用于从气体中分离液体污染物(诸如油)。气体可为燃烧发动机的曲轴箱气体。然而，离心分离器也可适于清洁来自其它源(例如，通常包含呈油滴或油雾形式的大量液体污染物的机械工具(machinetool)环境)的气体。
21.离心分离器的静止壳可包括周围侧壁以及第一和第二端壁，其包围分离空间。静止壳可具有圆柱形形状，其带有圆形横截面，该圆形横截面具有从旋转轴线(x)到周围侧壁的半径r。至少关于周围侧壁的周边的主要部分，该半径r可为恒定的。静止壳也可为稍微锥形的。第一和第二端壁因此可形成圆柱形形状壳的上端壁和下端壁。
22.离心分离器的气体入口可布置成通过第一端壁或通过接近于第一端壁的周围侧壁，因此在分离器的顶部处，使得通过气体入口进入的气体引导到分离空间。
23.然而，气体入口也可布置成通过第二端壁或通过接近于第二端壁的周围侧壁，因此在分离器的底部处。
24.排放出口布置在静止壳的下部部分中，诸如布置在第二端壁中，例如在分离器的底部处。因此，排放出口可居中地布置在与入口布置通过的(或入口布置处的)端壁相反的端壁中。离心分离器的排放出口还可由静止壳的若干点状(spot-shaped)通孔或由单个排放通路形成。排放出口可布置在旋转轴线(x)处或以旋转轴线(x)为中心。排放出口也可在静止壳的内端壁处的环形收集槽中。
25.气体出口可布置在静止壳的上部部分或下部部分中。气体出口因此可包括通过壳的通孔，且还可包括到用于清洁的气体的导管等的连接器件。
26.旋转部件布置成用于在操作期间借助于驱动部件来旋转。旋转部件包括布置在分离空间中的多个分离部件。旋转部件的分离部件是促进污染物从气体中分离的表面扩大插入件的示例。分离部件可为分离盘的堆叠。堆叠的分离盘可为截头锥形的。截头锥形盘可具有在垂直于旋转轴线的平面中延伸的平面部分，以及可向上或向下延伸的截头锥形部分。平面部分可比截头锥形部分更接近于旋转轴线。此外，堆叠的盘可为径向盘，其中基本整个盘在垂直于旋转轴线的平面中延伸。
27.在操作期间，可引导待清洁的气体居中地通过多个分离部件，诸如居中地通过分离盘的堆叠。在此类设置中，旋转部件还可限定由分离部件中的每个分离部件中的至少一个通孔形成的中心空间。该中心空间连接到气体入口且构造成使待清洁的气体从气体入口传送到分离部件之间的空隙，诸如在分离盘堆叠的盘之间的空隙之间。可用作分离部件的分离盘可包括垂直于旋转轴线的基本平坦的中心部分。该部分可包括通孔，这些通孔形成中心空间的部分。
28.因此，离心分离器可构造成使待清洁的气体(诸如曲轴箱气体)从气体入口引导到旋转部件的中心部分中。以该方式，可通过旋转部件的旋转来使曲轴箱气体从旋转部件的中心部分“泵送”到分离盘堆叠中的分离盘之间的空隙中。因此，离心分离器可根据并流原理来工作(其中气体在盘堆叠中从径向内部部分流到径向外部部分)，其与根据对流原理来操作的分离器(其中气体在转子的外围处传导到离心转子中且朝转子的中心部分引导)相反。
29.驱动部件可例如包括涡轮叶轮，其借助于来自燃烧发动机的润滑油系统的油射流来旋转，或者包括回吹盘的自由射流叶轮。然而，驱动部件也可独立于燃烧发动机，且包括电动马达、液压马达或气动马达。
30.还要理解的是，分离部件(诸如分离盘)没有必要一定布置成堆叠。分离空间可例如包括围绕旋转轴线延伸的轴向盘或板。轴向盘或板可为平面的，即，在平行于旋转轴线的平面中延伸。轴向盘或板也可具有稍微或显著弯曲的形状，诸如弓形或螺旋形形状，如在径向平面中看到的。
31.此外，根据第一方面，离心分离器还包括延伸到分离空间中的静止轴向表面，且旋转部件包括布置在静止轴向表面的径向外侧的可旋转轴向表面。
32.因此，可旋转轴向表面布置在静止轴向表面的径向外侧，使得静止轴向表面和可旋转轴向表面至少在某种程度上轴向重叠。可旋转轴向表面和静止轴向表面可呈在旋转轴线(x)的方向上延伸的圆柱体的形式。
33.此外，可旋转轴向表面布置在气体入口处，使得存在于待清洁的气体中的液体污染物在操作期间压靠可旋转轴向表面。因此，可旋转轴向表面布置成接近于气体入口，使得由于离心力，液体污染物(诸如油)径向向外压到旋转部件的可旋转轴向表面上。在该轴向表面上，液体污染物将轴向向上和向下散开以在可旋转轴向表面上形成例如液体膜。
34.此外，旋转部件包括边缘部分，该边缘部分从可旋转轴向表面径向向内延伸且在旋转部件和静止轴向表面之间形成环状密封间隙。可旋转轴向表面因此布置在比边缘部分的最内部部分更大的半径处。边缘部分在可旋转轴向表面上形成凸缘。边缘部分可延伸遍及可旋转轴向表面的整个周边。边缘部分径向向内延伸意味着它具有它比可旋转轴向表面的径向位置r2更接近于旋转轴线(x)的径向内部位置r1。
35.此外，该边缘部分紧密地接近于静止轴向表面以便形成密封，即，防止(或显著限制)流体在它们之间泄漏。
36.本发明的第一方面基于以下见解：随着气流进入且冲击旋转部件的轴向表面的油将向上和向下压在此类表面上。如果气体入口布置在分离器的上部部分中，则这增加油进入离心分离器的位于分离部件上方的部分的风险，或者如果气体入口布置在分离器的下部部分中，则这增加油进入离心分离器的位于分离部件下方的部分的风险。如果例如气体出
口布置在此类部分处，则存在油携带到所提取的气体中的明显的风险。通过增加边缘部分(即，在可旋转轴向表面上的边沿或凸缘)，它可防止油轴向受压通过该边缘部分。因此，边缘部分用作用于压到可旋转轴向表面上的油的捕获器件或旋转屏障，从而降低油逸出到清洁气体中的风险。
37.边缘部分可布置为附接到可旋转轴向表面的单独构件，或者它可与可旋转轴向表面形成为一件。
38.在第一方面的实施例中，静止轴向表面形成气体入口的径向外表面。
39.因此，静止轴向表面可延伸通过静止壳且可形成气体入口。因此，气体入口可布置成使得气体从静止轴向表面径向向内通过静止壳引入。作为示例，静止轴向表面可形成入口管道。作为另外的示例，静止入口表面可形成圆柱形壁，诸如向下突出的圆柱形壁(如果气体入口布置在静止壳的上端部分中)。
40.在第一方面的实施例中，静止轴向表面是圆柱形表面，且可旋转轴向表面与静止轴向表面同心且从静止轴向表面径向向外布置。
41.因此，静止轴向表面可形成延伸通过静止壳的套筒，且旋转部件的可旋转轴向表面可围绕静止套筒的端部部分，使得在边缘部分和套筒之间存在最小的可能的空隙。
42.在第一方面的实施例中，旋转部件包括中心空间，待清洁的气体从入口引导到该中心空间中，且环状密封间隙构造成用于使中心空间从在旋转部件径向外侧的空间密封。
43.在旋转部件径向外侧的空间因此可为分离空间的一部分。作为示例，气体出口可布置在旋转部件径向外侧的空间中且在与环状密封间隙相同的分离器轴向部分中。
44.作为示例，可旋转轴向表面可为中心空间的内表面。
45.在第一方面的实施例中，分离部件是截头锥形分离盘的堆叠。此外，中心空间可布置在截头锥形分离盘的锥形部分的径向内侧。中心空间的一部分可由分离盘的径向内部部分中的通孔限定。然而，中心空间可在分离盘堆叠的最上部的内部部分上方轴向延伸。
46.气体入口可布置成使待清洁的气体引导到旋转部件的中心空间中，且因此如果入口布置在静止壳的上部部分中，则从上方轴向引导。
47.在第一方面的实施例中，分离部件是布置在顶部盘之下的分离盘的堆叠，且其中，可旋转轴向表面是从顶部盘的内部部分轴向延伸的边沿。
48.边沿因此可限定中心空间的内表面，诸如中心空间的上部内表面。分离盘的堆叠可布置在顶部盘和下端板之间。此类顶部盘和端板可具有比单个分离盘更大的厚度。作为示例，盘堆叠可压缩在顶部盘和下端板之间。
49.在第一方面的实施例中，从可旋转轴向表面径向向内延伸的边缘部分布置在可旋转轴向表面的轴向上部部分处。
50.作为示例，边缘部分可形成可旋转轴向表面的最上部部分。
51.在第一方面的实施例中，旋转部件还包括最上部的径向边缘，且从可旋转轴向表面径向向内延伸的边缘部分布置为最上部的径向边缘的径向延伸部。
52.最上部的径向边缘可径向地延伸分离空间的径向距离的至少一半。作为示例，最上部的径向边缘可布置在用于清洁气体的气体出口的轴向上方，例如当气体出口布置在静止壳的周围侧壁的上部部分中时。最上部的径向边缘可布置在静止壳的上部内端壁处。最上部的径向边缘可构造成用于生成旋转气流，诸如在气体出口上的旋转气流。
53.在第一方面的实施例中，边缘部分从可旋转轴向表面径向向内延伸一径向距离(d)，该径向距离(d)小于5mm，诸如小于1mm。
54.因此，到边缘部分的径向距离r1可小于5mm，诸如小于1mm，短于到可旋转轴向表面的径向距离r2。因此，由边缘部分形成的旋转屏障可从可旋转轴向表面径向延伸小于5mm，诸如小于1mm。
55.在第一方面的实施例中，气体出口布置在静止壳的上部部分中。作为示例，气体出口可布置在静止壳的周围侧壁的上部部分中或布置在静止壳的上端壁中。
56.在第一方面的实施例中，气体入口布置在静止壳的上部部分中。
57.因此，气体入口可布置在静止壳的上端壁中。气体入口可围绕旋转轴线(x)布置。因此，气体入口可布置在上端壁中，且气体出口可布置在静止壳的周围侧壁的上部部分中。
58.作为本发明的第二方面，提供一种用于清洁包含污染物的气体的方法，其包括
59.在旋转部件旋转期间使包含污染物的气体引导到根据上文第一方面的离心分离器，
60.从气体出口排出清洁的气体，以及
61.从排放出口排出污染物。
62.气体中的污染物可包括液体污染物(诸如油)和烟灰。
63.该方面大体上可呈现与先前的方面相同或对应的优点。该第二方面的效果和特征在很大程度上类似于上文结合第一方面所描述的那些。关于第一方面所提到的实施例在很大程度上与第二方面相容。
附图说明
64.参照附图，通过以下说明性且非限制性的详细描述，本发明构思的上文的以及额外的目标、特征和优点将更好理解。在图中，相似的参考标号将用于相似的元件，除非另外声明。
65.图1示出用于清洁气体的离心分离器的横截面的示意图。
66.图2a示出静止轴向表面、可旋转轴向表面以及在旋转部件和静止轴向表面之间的密封的局部放大图。
67.图2b示出在操作期间液体污染物如何压靠可旋转轴向表面。
68.图2c示出静止轴向表面、可旋转轴向表面以及在旋转部件和静止轴向表面之间的密封的实施例的局部放大图。
具体实施方式
69.将参照附图通过以下描述来进一步示出根据本公开内容的离心分离器。
70.图1示出根据本公开内容的离心分离器1的截面。离心分离器1包括静止壳2，其构造成在适合的位置处(诸如在燃烧发动机的顶部上或在燃烧发动机的侧部处)安装到燃烧发动机(未公开)，尤其是柴油发动机。
71.要注意，离心分离器1也适于清洁来自除了燃烧发动机以外的其它源(例如，通常包含呈油滴或油雾形式的大量液体污染物的机械工具环境)的气体。
72.静止壳2包围分离空间3，气流允许通过该分离空间3。静止壳2包括周围侧壁4、上
端壁5和下端壁6，或由周围侧壁4、上端壁5和下端壁6形成。
73.离心分离器包括旋转部件7，其布置成围绕旋转轴线(x)旋转。应注意，静止壳2相对于旋转部件7(且优选地相对于它可安装到的燃烧发动机)是静止的。
74.静止壳2具有从旋转轴线(x)到周围侧壁4的半径，至少关于周围侧壁4的周边的主要部分，该半径是恒定的。周围侧壁4因此具有圆形或基本圆形的横截面。
75.旋转部件7包括心轴8以及附接到心轴8的分离盘9的堆叠。堆叠的所有分离盘9设在顶部盘10和下端板11之间。
76.心轴8(以及因此旋转部件7)借助于上轴承12和下轴承13可旋转地支撑在静止壳2中，轴承布置成在分离盘9的堆叠的每侧上一个。上轴承12由帽19支撑，帽19由圆柱形部分围绕离心转子轴(即，心轴8)的上端部分，该上端部分位于上轴承12的轴向上方。气体入口20由在帽19和静止入口导管21之间的通孔形成，入口导管18通过这些通孔与中心空间15连通。
77.盘堆叠的分离盘9是截头锥形的且从心轴8向外和向下延伸。分离盘因此包括垂直于旋转轴线(x)延伸的平坦部分9a，以及从平坦部分9a向外和向下延伸的锥形部分9b。
78.应注意，分离盘也可向外和向上(或甚至径向)延伸。
79.堆叠的分离盘9借助于间隔部件(未公开)设在距彼此一距离处，以便形成在邻近的分离盘9之间的空隙14，即，在每对邻近的分离盘9之间的空隙14。每个空隙14的轴向厚度可例如大约1-2mm。
80.堆叠的分离盘9可由塑料或金属制成。堆叠中的分离盘9的数量通常高于图1中指示的，且可例如为50至100个分离盘9(取决于离心分离器的大小)。
81.离心分离器1包括油喷嘴21，其布置成用于连接到内燃发动机的发动机油回路。在内燃发动机的运行期间，油通过油喷嘴21泵送到与心轴8连接的叶轮22上，从而使旋转部件7(以及因此分离盘9的堆叠)旋转。
82.作为备选方案，离心分离器1可包括布置成使心轴8和旋转部件7旋转的电动马达。作为另外的备选方案，离心分离器3可包括连接到心轴8的涡轮叶轮，其中涡轮叶轮布置成由来自内燃发动机的排放气体驱动以使心轴8和旋转部件7旋转。旋转部件7也可布置成用于由机械驱动单元旋转。因此，离心分离器可包括用于使旋转部件旋转的机械驱动单元。
83.旋转部件7限定中心空间15。中心空间15至少部分地由分离盘9中的每个分离盘中的通孔形成。在图1的实施例中，中心空间15由多个通孔形成，这些通孔各自延伸通过顶部盘10且通过分离盘9中的每个分离盘，但不通过下端板11。通孔布置在分离盘的平坦部分9a中。
84.气体入口20用于供应待清洁的气体。气体入口20延伸通过静止壳2，且更准确地是通过上端壁5。气体入口20与中心空间15连通，使得待清洁的气体从入口20经由中心空间15传送到分离盘9的堆叠的空隙14。气体入口20构造成经由入口导管18与燃烧发动机的曲轴箱或任何其它源连通，入口导管18允许将曲轴箱气体从曲轴箱供应到气体入口20且进一步供应到中心空间15和空隙14，如上文所解释的。
85.离心分离器1包括排放出口29，其布置在静止壳2的下部部分26中且构造成允许排出从气体中分离的液体污染物。排放出口29在该实施例中呈布置在下端壁6中的通孔的形式，使得分离的液体污染物在它们从分离空间3排放时流过第二轴承13。分离的油(以及其
它粒子和/或物质)引导到离心分离器1的油出口24，分离的油(以及其它粒子和/或物质)与用来驱动叶轮22的来自油喷嘴21的油一起可引导回到内燃发动机的发动机油回路。
86.离心分离器1的气体出口28布置在静止壳2的上部部分27中且构造成允许排出清洁的气体。气体出口28包括通过静止壳2的壁的出口开口。气体出口28在该实施例中布置在周围侧壁4的上部部分中，但气体出口28也可例如布置在上端壁5中。
87.在如图1中示出的离心分离器的操作期间，旋转部件17由对着叶轮22供应油的油喷嘴来保持旋转。作为示例，旋转速度可在7500-12000rpm的范围内。
88.受污染的气体(例如，来自内燃发动机的曲轴箱的曲轴箱气体)经由导管18供应到气体入口20。该气体进一步传导到中心空间15中并且从那里到堆叠的分离盘9之间的空隙14中且通过空隙14。由于旋转部件7的旋转，引起气体旋转，由此它进一步径向向外泵送通过间隙或空隙14。
89.在空隙14中的气体旋转期间，悬置在气体中的固体或液体粒子(诸如油)从其中分离。粒子沉降在分离盘的锥形部分9b的内侧上且在那之后在其上径向向外滑动或运行。当粒子和/或液滴外出到达至分离盘9的径向外边沿时，它们抛离旋转部件7且冲击周围侧壁4的内表面4a。由于气体的旋转流动，分离的油粒子可在周围内表面4a上形成膜。从那里，油可由重力向下拉到底部端壁6且然后通过排放出口29离开分离空间3。为此，底部端壁6的内壁可径向向内倾斜，使得离开凹部的油可由重力朝排放出口29拉。气体中的污染物的路径由图1中的箭头“d”示意性地示出。
90.除去粒子且从分离盘9的堆叠离开的清洁的气体通过气体出口28离开静止壳2。通过离心分离器1的气体的路径由图1中的箭头“c”示意性地示出。
91.离心分离器1还包括在中心空间15和分离空间3之间的环状密封间隙42。这在图2a-c中更详细地示出。
92.如在图2a中看到的，分离器还包括呈延伸到分离空间3中的向下突出的圆柱形表面的形式的静止轴向表面40。该圆柱形套环40形成气体入口20的径向外表面。换句话说，气体入口可由气体入口开口40a形成，气体入口开口40a形成于静止轴向表面40和支撑上轴承12的帽19之间。气体入口开口40a可呈围绕旋转轴线(x)分布的若干贯通开口的形式。
93.此外，旋转部件7包括布置在静止轴向表面40的径向外侧的可旋转轴向表面41。在该示例中，可旋转轴向表面41是从顶部盘10的径向内部部分轴向地竖立的边沿。因此，顶部盘10和轴向边沿41可形成为一件。
94.可旋转轴向表面或边沿41因此与静止轴向表面40同心且从静止轴向表面40径向向外布置，且还形成中心空间15的内表面。
95.该边沿41布置成紧密地接近于气体入口，使得由于在离心分离器1的操作期间的离心力，存在于从气体入口开口40a流出的待清洁的气体中的液体污染物压靠轴向边沿41。
96.在静止轴向表面40和旋转部件7之间的轴向环状密封间隙42形成于静止套环40和从轴向边沿41径向向内延伸的边缘部分44之间。在图2a中示出的实施例中，该边缘部分44布置在轴向边沿41的轴向最上部部分处且布置为最上部的径向边缘43的径向延伸部。该最上部的径向边缘43因此布置在旋转部件7上且布置在轴向边沿41上。径向边缘43构造成用于在离心分离器1的操作期间在气体出口28上生成旋转气流。
97.图2b示出在操作期间液体污染物和较大的气溶胶如何压靠轴向边沿41，如由图2a
中的箭头“d”示出的。因此，液体污染物和较大的气溶胶在冲击轴向边沿41时轴向向上和向下压在轴向边沿41上。由于边缘部分具有在半径r1处的径向内部位置且轴向(边沿)具有在半径r2处的径向位置并且r2大于r1，边缘部分44用作保护壁，其降低轴向边沿41上的液体污染物和气溶胶经由密封间隙42逸出(以及因此在未通过分离盘9的堆叠的情况下外出到分离空间3)的风险。边缘部分44从轴向边沿41延伸小于1mm，即，径向距离d(其为r2-r1)小于1mm。
98.还要理解的是，边缘部分44可设在轴向边沿41上在静止套环40的径向外侧的任何位置处，即，密封间隙42可形成在静止套环40和可旋转轴向边沿41的轴向重叠部分上的任何地方。这在图2c中示出，其中边缘部分44布置在轴向边沿41的最上部位置的轴向下方，但仍在静止套环40的下部部分的径向外侧。
99.本发明不限于所公开的实施例，而是可在下文陈述的权利要求书的范围内变化和修改。本发明不限于图中公开的旋转轴线(x)的定向。用语“离心分离器”还包括带有基本水平定向的旋转轴线的离心分离器。在上文中，主要参照有限数量的示例来描述发明构思。然而，如容易由本领域技术人员了解的，在如由所附权利要求书限定的发明构思的范围内，除了上文公开的示例以外的其它示例是同样可能的。