帶有碎屑陷阱的三相旋流式流體分離器的製作方法

2023-04-26 03:18:21 1

專利名稱：帶有碎屑陷阱的三相旋流式流體分離器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於從機器的流體(如發動機中的潤滑油)中分離出 碎屑顆粒與氣體的裝置，更具體地涉及通過形成流體漩渦/渦流來進行分離 的裝置。
背景技術：
現有的渦輪發動機，如飛機中使用的發動機，由通過從蓄液器中抽取 油的泵供給到運動的發動機部件的油來潤滑。所述油從這些部件流入到發 動機內的機油箱中，回油泵又迫使流體回到蓄液器中。在流經發動機的過 程中，油經常會帶走金屬或非金屬的碎屑顆粒並由於湍流而被充氣。因此， 通常做法是使這種混合物在進入蓄液器之前經過可從潤滑油中分離出顆粒 與所含的氣體的設備。
這種分離通常由三相旋流式分離器執行，如美國專利No. 6,348,087中 i兌明的分離器。參照圖1，這種分離器經由與筒形腔106的內壁102的彎 曲形狀相切地布置的進入通道100接收來自發動機的流體混合物。這種布 置^f吏流體以漩渦108向下進入環形碎屑收集區110。漩渦的離心力向外驅 使較重的碎屑顆粒並使之靠著筒形內壁102向下進入碎屑收集區，而驅使 流體流經位於中心的出口 。環形流的切向速度驅使碎屑顆粒進入線形排出 通道112，該通道沿切向從筒形內壁102的彎曲表面延伸到碎屑收集區內。 在排出通道的遠端設置有磁性顆粒收集器114,以保持金屬顆粒。顆粒在 到i^f茲性顆粒收集器114之前必須沿排出通道112行進某一距離。因此， 在進入排出通道時，要求顆粒具有足夠的動量以達到磁性顆粒收集器。較 小的顆粒通常不具有足夠的動量因此不能被收集器保持。具體地， 一旦i^排出通道，顆粒便離開了旋渦的旋轉力場。抵抗顆 粒運動的主要力是重力的牽引力。牽引力Fa由下式得到
—c
其中，Cd是牽引係數，p是輸送流體密度，A是在流動方向上的顆粒 投影面積，V是i/w為等於流體速度的顆粒速度。
顆粒的沉降速度Vs遵循Stokes定律並由下式限定
s 一
其中，g是地球的重力加速度，dp是顆粒的主尺寸，pp是顆粒密度，pf 是輸送流體密度，fi是流體速度。
牽引力作用在顆粒動量的反方向上，而重力垂直於顆粒的原定軌跡移 動顆粒。由於將磁力線限制在較小的包絡範圍內的磁極的設計，磁性收集 器的吸引力在顆粒較近時才明顯。因此，顆粒必須具有足夠的動能，以承 受牽引力的損耗並達到磁力影響的範圍內。在短暫的顆粒輸送期間(通常 <150毫秒)，重力和沉降速度對於較小的顆粒是不重要的，並且在此模型 中被忽略。
希望在分離器入口與潤滑劑出口之間的流體壓降儘可能地小。然而， 壓降直接正比於流體流速、因此正比於環形流的切向速度。換言之，隨著 壓降減小，驅動顆粒從筒形腔進入收集器排出通道的流體流的切向速度也 減小。這種關係限制了分離器的物理尺寸(直徑)，因而限制了流經分離 器的流體流的量。結果，增大分離器腔的直徑以接納更大量的流體流會使 流經所述腔的流體切向力以及分離出顆粒的能力減小。
因此，希望改進分離出的顆粒從腔壁到碎屑收集位置的碎屑輸送效率， 以提供一種能夠在較大的流體流速下有效工作的旋流式流體分離器。

發明內容
一種用於從混合物中分離出液體和顆粒的設備，所述設備包括具有在第一端壁與第二端壁之間圍繞縱向軸線延伸的筒形壁的分離腔。用於接收 混合物的入口切向於筒形壁通入分離腔。在所述分離腔的第二端處的流體 出口為流體從分離腔流出提供出口 。碎屑通道穿過所述筒形壁並進行取向， 其中分離腔內的顆粒的徑向速度引導顆粒穿過碎屑通道。優選地，所述碎 屑通道從分離腔的縱向軸線沿徑向延伸出。碎屑通道通入其中積聚顆粒的 顆粒收集腔。所述顆粒收集腔優選平行於所述縱向軸線從碎屑通道延伸出 並遠離分離腔的第一端。
與取決於顆粒切向速度的現有分離器不同，本發明的設備利用較大的 徑向速度驅使顆粒從分離腔進入顆粒收集腔。
本設備還可用於從混合物中分離氣體、液體和顆粒。在這種實施形式 中，在分離腔的第一端上設置氣體出口，從混合物中分離出的氣體通過該 氣體出口排出。


圖l是現有技術中的三相旋流式分離器徑向剖視圖； 圖2是根據本發明的三相旋流式分離器的軸向剖視圖； 圖3是沿圖2的線2-2的剖視圖，其中示出分離器的入口；和 圖4是沿圖2的線3-3的剖視圖，其中示出分離器的碎屑出口。
具體實施例方式
首先參照圖2，提供了一種三相分離器10以從混合物中分離出液體、 氣體和固體成分。儘管分離器10可特別地應用在發動機潤滑系統中，應當 意識到，分離器10也可以應用於其它類型的流體系統中。分離器10包括 殼體12,該殼體具有在第一端壁16與第二端壁26之間延伸的管狀筒形側 壁11,從而形成帶有第一或上端15和第二或下端18的圓筒形分離腔14。 殼體12貼靠潤滑系統的潤滑劑蓄液器19,並通過多個機器螺釘17或其它 緊固機構與之連接。
另外參照圖3，入口 20在鄰近第一端壁16處通入分離腔14，並與筒
7形分離腔14的彎曲表面相切地布置。如下文所述，要分離的材料混合物通 過入口 20進入分離腔14，然後以旋動向下穿過分離腔的螺旋形凝渦22的 形式流向第二端18。穿過分離腔14的第二端壁26形成流體出口 24，其中 環形收集器壁28像管子一樣從第二端壁伸入分離腔14中，並包圍流體出 口 24。注意，分離器10的流體出口 24以第一中心縱向軸線25來定中心， 其中，分離腔14以該第一中心縱向軸線為中心，並且該第一中心縱向軸線 延伸到潤滑劑蓄液器19中。
參照圖2和4,第二端壁26和環形收集器壁28形成限定分離腔14內 的收集區30的屏障，該收集區接收從經過入口 20 ii^的混合物中分離出 的顆粒。碎屑通道32在收集區30附近通入分離腔14的筒形側壁11。碎 屑通道32也通入分離腔外部的、具有平行於第一縱向軸線25延伸的主軸 線35的長形碎屑收集腔34中。注意，碎屑通道32的中心在第二縱向軸線 33上，該第二縱軸線從第一縱向軸線25沿徑向延伸出，並且不布置成與 分離腔的彎曲內表面21相切。因此碎屑通道32正交於碎屑收集腔34的主 軸線。從對分離器的工作的說明中應當理解，碎屑通道32不必準確地與第 二縱向軸線33對齊。
碎屑通道32與顆粒收集腔34的上部連通，該顆粒收集腔遠離分離腔 的第一端15朝向潤滑劑蓄液器19繼續向下延伸。塞子36封閉位於顆粒收 集腔34下端處的外開口 35,並且當需要清除所收集的顆粒時可被拆下。
用於集聚進入顆粒收集腔34的金屬顆粒的常恥磁性探針38位於在塞 子36附近通入顆粒收集腔的一孔中。磁性探針可產生表示已集聚的金屬顆 粒的量的電信號。當電信號表示已集聚大量顆粒時，磁性探針34可被移出 以取出顆粒並清潔探針。流通型的碎屑傳感器40沿顆粒收集腔34位於碎 屑通道32與磁性探針34之間。碎屑傳感器40產生表示從碎屑通道32經 過顆粒收集腔到達塞子36的顆粒量的電信號。例如，碎屑傳感器40可以 是向光檢測器發射橫跨顆粒收集腔34的光束的常規光學裝置，所述光檢測 器通過產生一第二電信號而進行反應。到達檢測器的光的強度受到穿過顆 粒收集腔的碎屑的影響。也可以利用其它類型的傳感器例如超聲裝置來檢
8測經過顆粒收集腔的顆粒流。
分離器IO包括在分離腔14內、位於第一端壁16中央的氣體出口 46。 從進入分離腔14的混合物中分離出的氣體以及潤滑劑蓄液器19中的氣體 通過氣體出口 46排放。在氣體出口 46上安裝有卸壓閥48，該卸壓閥在分 離器IO內的壓力達到給定閾值水平(例如0.5-0.7bar)時從氣體出口開放 通道。
工業實用性
參照圖2和3，本三相分離器10具有處理飛機發動機的潤滑劑的特定 應用。回油泵將處於壓力下的潤滑劑混合物從發動機供給到入口 20。潤滑 劑混合物的流與彎曲的側壁11的表面相切地進入分離腔14,並沿一路徑 運動，該路徑圍繞分離腔14的筒狀內表面彎曲並向下朝向分離腔的第二端 壁26，從而產生一螺旋形的漩渦22。環形收集器壁28將分離腔14分成兩 個同心區，筒形內區50和圍繞內區50的環形外區52。內區50和外區52 之間的邊界由圖2中的虛線53示出。
隨著混合物沿著殼體12的彎曲側壁11向下旋動，旋流式的流產生離 心力，該離心力向流的圖案的外周面驅動較重的碎屑顆粒，同時允許氣泡 在圖案的中央(大致在第一中心縱向軸線25處)匯合。碎屑顆粒被迫向下 進入外部環形收集區30,其中，第二端壁26使這些顆粒的向下運動停止。
帶有切向碎屑排出通道的常規旋流式分離器僅依賴於顆粒速度的切向 分量而不利用徑向速度分量。在這些分離器中，顆粒速度的徑向分量僅在 分離過程中、即當顆粒在離心力作用下朝向分離腔的彎曲側壁進行分離時 存在。 一旦到壁部，徑向分量被停止。離心力仍作用在顆粒上，但在這裡 對輸送方向是不利的，即離心力將顆粒壓在側壁上。
本三相分離器10利用上述兩種速度分量，或至少利用速度勢較高的徑 向分量。在圖4中，在碎屑通道32的開口處的顆粒42具有一速度，該速 度可分解成由垂直取向的箭頭表示的切向速度44和徑向速度46。 一限定 顆粒在重力場中的沉降時間的簡單等式為formula see original document page 10
在旋流式分離器中，該等式中的"gs"的值遠大於一個地球的(重力 加速度)g。例如，在最近對飛機的測試中，在發動機的飛行怠速下產生了 50g的加速水平，其中切向速度為14英尺每秒(FPS)，在發動機起飛速 度下產生了 500 g的加速水平，其中切向速度為45FPS。相應的徑向速度 分量是在飛行怠速下為21 FPS，在起飛速度下為210FPS。這些實驗數 據清楚表明，顆粒徑向速度向量明顯大於切向速度向量。
因此，通向收集腔34的碎屑通道32在本三相分離器IO中位於不與分 離腔側壁11的彎曲形狀相切的位置。事實上，碎屑通道32與第二縱向軸 線33對齊，該第二縱向軸線33從分離腔14的第一縱向軸線25沿徑向延 伸出，從而最優地利用顆粒徑向速度。然而，碎屑通道32不必準確地對中 在從第一縱向軸線25沿徑向延伸出的線上，來使徑向速度推動顆粒穿過該 通道。另外，碎屑通道32的後部豎直邊緣優選形成斜面，以允許切向速度 幫助將顆粒引導到收集腔34中，然而用於該運動的主要的力仍然是徑向速 度。
因為本發明利用顆粒徑向速度來驅使顆粒從分離腔14進入碎屑通道 32，所以在顆粒速度也降低的較低流體流速下，本發明比帶有切向碎屑排 出通道的常規分離器更有效地起作用。這使得液壓系統能設計成在以較小 的壓降橫跨本發明的分離器10的情況下工作。
在進入收集腔34之後，碎屑顆粒平行於第一縱向軸線25朝向位於碎 屑通道32遠端的開口 35行進。由流通型碎屑傳感器40檢測磁性的和非磁 性的顆粒，該傳感器發出表示所述碎屑的第一電信號。然後磁性探針34 集聚在所述碎屑中的金屬顆粒並發射表示金屬顆粒積聚量的第二電信號。 第一和第二電信號被應用於分析發動機磨損的計算機。另外，當所述電信
號表示已有相當大量的碎屑進入收集腔34時，由技師拆下塞子36並清潔 所述收集腔。
回到分離腔14中的運動，旋流式流體流導致潤滑劑混合物中的液體填
10入環形外區52以及內區50的外周。向下旋動的液體離開流體出口 24，從 而流入潤滑劑蓄液器19。該旋動的混合物中所含的任何氣體都朝向第一縱 向軸線25遷移。分離出的氣體能夠向下通過流體出口 24流入在潤滑蓄液 器19頂部的蒸氣空間。當該蒸氣空間和分離腔14中的壓力增加到大於一 預定閾值U》H。0.5-0.7bar)時，卸壓閥48打開，從而允許氣體經由在分 離腔頂部的出口 46排出。
以上說明主要涉及本發明的一個優選實施例。儘管給出了本發明的範 圍內的一些替代型式，但可以預料，本領域的技術人員可能會認識到從本 發明公開的實施例可清楚地看到的其它替代型式。因此，本發明的範圍由 以下權利要求限定而不限於上面公開的內容。
權利要求
1. 一種用於從混合物中分離出液體和顆粒的設備，所述設備包括具有在第一端與第二端之間圍繞縱向軸線延伸的筒形壁的分離腔，用於接收混合物的入口，所述入口基本上切向於筒形壁通入分離腔；位於分離腔第二端中的流體出口，液體從分離腔通過該出口流出；延伸穿過所述筒形壁的碎屑通道，該碎屑通道進行取向，其中分離腔內的顆粒的徑向速度引導顆粒穿過碎屑通道；以及顆粒收集腔，該顆粒收集腔與碎屑通道連通，以接收顆粒。
2. 根據權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述碎屑通道沿從筒 形壁的縱向軸線伸出的徑向線延伸。
3. 根據權利要求1所述的設備，其特徵在於，該設備還包括位於分 離腔的第 一端中的氣體出口 ，從混合物中分離出的氣體通過該氣體出口排 出。
4. 根據權利要求1所述的設備，其特徵在於，該設備還包括從第二 端伸入分離腔的環形壁，在該環形壁與筒形壁之間形成收集區，其中碎屑 通道通入收集區。
5. 根據權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述顆粒收集腔平行 於所述縱向軸線從碎屑通道延伸出。
6. 根據權利要求5所述的設備，其特徵在於，所述顆粒收集腔包括 一外開口和用於該外開口的封閉件，通過該外開口從所述設備中取出所收 集的碎屑。
7. 根據權利要求1所述的設備，其特徵在於，該設備還包括伸入顆 粒收集腔以集聚碎屑中的金屬顆粒的磁性探針。
8. 根據權利要求7所述的設備，其特徵在於，所述磁性探針產生一 表示已集聚的金屬顆粒的量的電信號。
9. 根據權利要求1所述的設備，其特徵在於，該設備還包括一產生 表示顆粒收集腔中的金屬和非金屬碎屑的量的電信號的傳感器。
10. —種用於從混合物中分離出液體和顆粒的設備，所述設備包括一 殼體，所述殼體包括具有第一端和第二端的分離腔，其中在第一端與第二端之間以第一縱 向軸線為中心延伸有筒形壁；用於接收混合物的入口 ，所述入口以將混合物引導成按旋流流動的取向通入分離腔；位於分離腔第二端中的流體出口 ，從混合物分離出的液體流過該流體 出口；沿第二縱向軸線延伸穿過所述筒形壁的碎屑通道，該第二縱向軸線從 第一縱向軸線沿徑向伸出；以及顆粒收集腔，碎屑通道通入該顆粒收集腔。
11. 根據權利要求10所述的設備，其特徵在於，該設備還包括位於 分離腔的第一端中的氣體出口 ，從混合物中分離出的氣體通過該氣體出口 排出。
12. 根據權利要求10所述的設備，其特徵在於，該設備還包括從第 二端伸入分離腔的環形壁，在該環形壁與筒形壁之間形成收集區，其中碎 屑通道通入收集區。
13. 根據權利要求10所述的設備，其特徵在於，所述顆粒收集腔從 碎屑通道平行於所述第 一縱向軸線延伸出，並遠離分離腔的第 一端朝向收 集端延伸。
14. 根據權利要求13所述的設備，其特徵在於，所述顆粒收集腔在 收集端包括一外開口和用於該外開口的封閉件。
15. 根據權利要求10所述的設備，其特徵在於，該設備還包括伸入 顆粒收集腔以集聚金屬顆粒的磁性探針。
16. 根據權利要求15所述的設備，其特徵在於，所述磁性探針產生 一表示已集聚的金屬顆粒的量的電信號。
17. 根據權利要求16所述的設備，其特徵在於，所述磁性探針產生 一表示已集聚的金屬顆粒的量的電信號。
18. 根據權利要求10所述的設備，其特徵在於，該設備還包括一產 生表示顆粒收集腔中的碎屑的量的電信號的傳感器。
19. 一種用於從混合物中分離出液體、氣體和顆粒的設備，所述設備 包括具有在第一端與第二端之間圍繞縱向軸線延伸的筒形壁的分離腔； 用於接收混合物的入口 ，所述入口在鄰近第一端處與筒形壁相切地通 入分離腔；位於分離腔第一端處的氣體出口 ，從混合物中分離出的氣體通過該氣 體出口排出；位於分離腔第二端中的流體出口 ，液體從分離腔通過該出口流出； 延伸穿過所述筒形壁的碎屑通道，該碎屑通道進行取向，其中分離腔內的顆粒的徑向速度引導顆粒穿過碎屑通道；以及顆粒收集腔，碎屑通道通入所述顆粒收集腔，該顆粒收集腔平行於所述縱向軸線從碎屑通道延伸出並延伸遠離分離腔的第 一端。
20. 根據權利要求19所述的設備，其特徵在於，該設備還包括伸入 顆粒收集腔以集聚金屬顆粒的磁性探針。
全文摘要
本發明涉及一種在流體系統中分離混合物的液體、氣體和固體成分的設備(10)。用於接收混合物的入口(20)切向地通入具有筒形側壁(11)的分離腔(14)，氣體出口(45)在鄰近入口(20)的第一端壁(16)中具有開口，以允許氣體離開分離器(10)。流體出口(24)位於相對的第二端壁(26)中。碎屑通道(32)延伸穿過所述筒形側壁(11)，並取向成使得分離腔(14)內的顆粒的徑向速度引導顆粒穿過碎屑通道(32)。碎屑通道通入顆粒收集腔(34)，顆粒積累在所述顆粒收集腔中。與依賴於顆粒切向速度的現有分離器不同，本發明的設備利用較大的徑向速度驅使顆粒從分離腔進入顆粒收集器。
文檔編號B04C5/14GK101511442SQ200780033201
公開日2009年8月19日 申請日期2007年9月6日 優先權日2006年9月6日
發明者S·朔瓦特爾 申請人:伊頓公司