СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЖИМА ЭФФЕКТИВНОЙ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ОТ ПЫЛИ В ВОЗДУХООЧИСТИТЕЛЕ, ВКЛЮЧАЮЩЕМ В СВОЕМ СОСТАВЕ МНОЖЕСТВО ПРЯМОТОЧНЫХ ЦИКЛОНОВ
METHOD FOR FORMING MODE OF EFFECTIVE AIR CLEANING FROM DUST IN AIR CLEANER INCLUDING PLURALITY OF UNIFLOW CYCLONES IN ITS COMPOSITION

Известны воздухоочистительные устройства (воздухоочистители), выполненные на базе прямоточных циклонов, применяемые для очистки воздуха от пыли, поступающего в газотурбинные двигатели, в том числе установленные и на вертолетах, описание некоторых устройств приведено в патентах:
1. US 3421296, 14.01.1969 [1];
2. RU 2181439, 20.04.2002 [2];
3. GB 2404603, 09.02.2005 [3].
В обзоре ЦАГИ №680, 1988 г. [4] приведены данные по опыту эксплуатации вертолетных ГТД с мультициклонными воздухоочистителями и, в частности, отмечается, что, несмотря на высокую эффективную очистку воздуха у воздухоочистителя в стендовых условиях (~95%), фактический износ двигателей уменьшается в 5-10 раз, то есть в эксплуатации происходит кратное ухудшение эффективности по сравнению со стендовыми показателями. Также указывается, что причиной этому может являться неравномерность очистки воздуха в различных циклонах.
В данном обзоре приведены итоги работ по вертолетному пылеотделителю, созданному на основе патента [1]. Указанный патент следует признать пионерским и в большой мере отражающим основные особенности конструкций более поздних вариантов вертолетных воздухоочистителей на прямоточных циклонах. Именно решению проблемы устранения неравномерности очитки воздуха в различных циклонах посвящена предлагаемая заявка. Упомянутый патент [1] считаем прототипом настоящей заявки. Информация по данному типу воздухоочистителя имеется в работе [5].
Известно, что прямоточный циклон имеет достаточно высокий и устойчивый уровень очистки воздуха при работе в диапазоне расчетных режимов по расходу воздуха, как по трассе очищенного воздуха, так и по трассе отсоса пылевого концентрата. Однако при понижении количества отсасываемого из циклона вместе с пылью воздуха ниже ~2,5% очистка резко ухудшается и при нулевом отсосе, а также при обратном потоке (при подсосе) очистка воздуха либо очень мала, либо отсутствует.
Также известно, что при совместной работе группы прямоточных циклонов, объединенных сборным коллектором очищенного воздуха и пылесборным коллектором, если по той или иной причине в каком-то одном (или более) циклоне происходит не отсос пылевого концентрата в пылесборный коллектор, а обратный ток пыли из пылеотвода в циклон и далее в трассу очищенного воздуха, то в этом случае суммарная эффективность очистки всей группы циклонов резко снижается. Такое явление в групповых, батарейных (мультициклонах) называют работой в режиме наличия перетоков. Информация о работе одиночных и батарейных циклонов имеется в работах [6], [7], [8].
Одной из важных причин «неравномерной очистки… воздуха в различных циклонах» [4] в большой мере является изначально заложенная в гидравлическую схему воздухоочистителей неравномерность распределения расхода воздух по циклонам. Из-за высокого уровня скорости потока воздуха в сборном коллекторе очищенного воздуха и параллельно-последовательной установки циклонов вдоль сборного канала последовательно расположенные циклоны работают в различных условиях перепада давления воздуха на входе и выходе циклонов. В результате неравномерность расхода воздуха в циклонах может достигать значений ±20% и более. О работе, неравномерности и расчете собирающего коллектора см. в [11].
При такой неравномерности расходов у некоторых циклонов может понизиться эффективность сепарации пыли. Однако более существенное снижение эффективности очистки воздуха от пыли происходит в циклонах, у которых вследствие неравномерности расхода образуется уменьшение относительного количества отсасываемого от них с пылью воздуха до 2,5% и ниже до формирования работы в режиме перетока. Обычно указанные циклоны имеют повышенный расход воздуха и располагаются в конце канала сборного коллектора очищенного воздуха, перед входом в воздухозаборник двигателя.
Еще одной из важных причин «неравномерной очистки воздуха в различных циклонах» воздухоочистителя является то обстоятельство, что мультициклонный воздухоочиститель эксплуатируется в условиях обдувки потоком от вертолетного несущего винта, при этом на входе в циклонные элементы воздушная среда представляет собой нестационарный турбулентный пульсирующий разнонаправленный поток с широким спектром частот, амплитуд и их сочетаний. Динамические характеристики внешнего воздействия потока вполне соизмеримы со значениями перепадов давления, выдерживаемыми в воздухоочистителе для получения установленного количества отсасываемого из циклонов воздуха. В итоге, в результате внешнего воздействия воздушного потока у некоторых циклонов может снижаться количество отсасываемого воздуха и формироваться условия для возможности образования нестационарны зональных режимов работы с перетоком. О вредном влиянии внешних условий и турбулентности на эффективность очистки воздуха в циклонах и мультициклонах см. [9], [10].
Технической задачей, на решение которой направлен заявляемый способ, является формирование режима эффективной очистки воздуха от пыли в воздухоочистителе, включающем в своем составе множество прямоточных циклонов, при эксплуатации его в качестве защитного устройства на входе в вертолетный ГТД, при этом предполагается отсутствие появления недопустимого ухудшения гидравлических потерь, энергетических затрат, увеличения габаритов и веса конструкции, ухудшения эксплуатационно-технических и экономических показателей.
В результате решения указанной задачи ожидается существенное улучшение эффективности очистки воздуха в реальных условиях эксплуатации, уменьшение износа лопаток компрессора вертолетного ГТД и увеличение времени его работы.
Главными факторами, способствующими решению задачи являются принципиальная простота предлагаемого решения задачи и легкость его практической реализации на проектируемых воздухоочистителях, а также возможность использования на уже созданных воздухоочистителях путем их доработки.
Поставленная задачи достигается тем, что в предлагаемом способе формирования режима эффективной очистки воздуха от пыли в воздухоочистителе, включающем в своем составе множество прямоточных циклонов, установленных на сборном коллекторе, имеющем ограниченные габариты и высокий уровень скоростей воздушного потока внутри сборного канала, эффективной очистки воздуха во всех циклонах добиваются путем устранения неравномерности распределения расходов воздуха по циклонам путем дросселирования воздушного потока в циклонах с повышенным расходом воздуха. Степень дросселирования подбирают исходя из условий поддержания на расчетном режиме работы воздухоочистителя равенства расходов воздуха через циклоны расчетному значению, а также из условия поддержания равенства между собой давления воздуха внутри рабочих полостей циклонов. В результате этого все циклоны на расчетном режиме работают в оптимальном режиме сепарации пыли и, что не менее значимо, внутри рабочих полостей (зон) циклонов, где происходит сепарация пыли и откуда отводится (отсасывается) отсепарированная пыль, устанавливают одинаковый уровень давления, что дает возможность отводить от циклонов в пылесборный коллектор также равномерно необходимое количество воздуха за счет установления и поддержания у циклонов, объединенных общим пылесборным коллектором, одинаковых перепадов давления между рабочими полостями циклонов и полостью пылесборного коллектора. Среднее количество отбираемого от циклонов воздуха составляет ~10±5%. Допускаемое минимальное количество поддерживают на уровне 2,5%-5%. Данным уровнем создают запас на возможное снижение количества отбираемого воздуха из-за вредного влияния окружающего воздушного потока на входе в циклоны, чтобы предотвратить возникновение отрицательного перепада и условий для перехода циклона в режим работы с перетоком.
При ожидаемом сильном влиянии внешнего воздействия (например, при расположении воздухоочистителя на относительно большом радиусе несущего винта) указанное выше допускаемое минимальное количество отсасываемого из циклонов воздуха целесообразно поддерживать на более высоком уровне - не ниже 5%.
Дросселированию подвергают поток очищенного в циклоне воздуха на участке движения его по выходному патрубку циклона посредством местного уменьшения площади проходного сечения патрубка.
Выполняя дросселирование циклона в зоне входного отверстия выходного патрубка, у данного циклона одновременно добиваются более высокой очистки воздуха за счет улучшения характеристики эффективности циклона при изменении его геометрии.
В итоге, при использовании предлагаемого способа формирования режима эффективной очистки воздуха от пыли эффективность очистки воздуха повышают при работе воздухоочистителя в реальных условиях эксплуатации из-за уменьшения количества циклонов, попадающих в режим неэффективной работы, из-за сокращения времени пребывания циклонов в режиме неэффективной работы, а также из-за того, что само снижение эффективности очистки становится менее глубоким.
Сущность заявляемого способа поясняется схемами и графиками, на которых изображены:
на фиг. 1 - общий вид установки воздухоочистителя перед воздухозаборником ГТД, показаны линии тока воздуха от несущего винта;
на фиг. 2 - вариант установки воздухоочистителя в другой компоновке и масштабе;
на фиг. 3 - продольный разрез воздухоочистителя, изображенного на фиг. 2;
на фиг. 4 - прямоточный циклон;
на фиг. 5 - схема компоновки воздухоочистителя;
на фиг. 6 - характеристика прямоточного циклона, эффективность очистки воздуха от пыли (пропуск) в зависимости от количества отбираемого с пылью воздуха 2,5%-15% и от размера (диаметра) выходного патрубка циклона, режим работы (по расходу воздуха) - номинальный Ne;
на фиг. 7 - характеристика прямоточного циклона, эффективность очистки воздуха от пыли в зависимости от расхода воздуха (0,5 Ne - 1 Ne) и при отборе 5%-10% воздуха с пылью;
на фиг. 8 - изменение рабочих параметров в циклонах воздухоочистителя (изображенного ниже графика).
На вертолете поз. 1 фиг. 1 воздухоочиститель 2 устанавливается перед воздухозаборником 3 газотурбинного двигателя 4. Запыленный воздушный поток поступает к воздухоочистителю от лопастей 5 несущего винта вертолета.
На фиг. 2 показан общий вид другого варианта расположения воздухоочистителя 2, а на фиг. 3 - его продольный разрез. Воздухоочиститель представляет собой короб из боковых панелей 8, образующих между собой ресивер 9, который является проточным каналом сборного коллектора очищенного воздуха. Панели выполнены двухстенчатыми, внешняя 10 и внутренняя 11 стенки отстоят друг от друга на расстоянии, в котором размещаются прямоточные циклоны 12, проходящие сквозь указанные стенки, крепящиеся к указанным стенкам и обращенные своим входом во внешнее пространство, а выходом - в ресивер 9. Свободное пространство между стенками 10 и 11, а также между циклонами образует полость пылесборного коллектора 13, в этом же пространстве формируются пылесборные каналы 14. В состав воздухоочистителя входят система отвода пыли - пылеотводные каналы 15, вентилятор отсоса пыли 16 и перепускная заслонка 17.
Прямоточный циклон 12 фиг. 4 состоит из корпуса 18, закручивателя 19 с радиальными лопатками, устанавливаемого и крепящегося внутри корпуса со стороны входа, выходного патрубка 20, устанавливаемого также внутри корпуса с выходной стороны. Корпус 18 и выходной патрубок 20 крепятся герметично к стенкам панели. Внутренний канал 21 выходного патрубка служит для выхода из циклона очищенного воздуха, кольцевой канал 22 между корпусом и выходным патрубком служит выходом отсепарированной в циклоне пыли вместе с частью воздуха.
Внутреннее пространство корпуса 18 между закручивателем 19 и выходным патрубком 21 образует рабочую зону 23 циклона, в которой и совершается процесс сепарации пыли.
Прямоточные циклоны 12 фиг. 3, 5 присоединяются к ресиверу 9 параллельно-последовательно вдоль направления движения по нему очищенного воздуха и объединены им гидравлически как общим сборным коллектором, кроме того, циклоны разбиты на группы и в каждой группе они объединены общим пылесборным коллектором 13 и пылесборными каналами 14, которые, в свою очередь, сообщаются с пылеотводными каналами 15 и с вентилятором отсоса пыли 16. Направление движения пылевого потока в пылесборных каналах 14 может совпадать (быть поточным) с направлением движения очищенного воздуха в ресивере 9 или быть противоточным или поперечноточным.
Воздухоочиститель функционирует следующим образом. При работе в запыленных условиях перепускная заслонка 17 фиг. 2, 3 закрыта и препятствует поступлению воздуха в ресивер 9, минуя циклоны. Запыленный воздух от воздушного потока вертолетного несущего винта 5 фиг. 1 поступает к поверхностям воздухоочистителя 2 в направлении линий тока 6, складывающихся с встречным потоком 7. Далее под действием разрежения от двигателя 4 запыленный воздух всасывается во вход прямоточных циклонов 12 фиг. 3, 4 по стрелке 24, закручивается в закручивателе 19 и движется в осевом направлении и одновременно во вращательном в рабочей зоне 23 циклона. На этом участке производится центробежная сепарация пылевых частиц к периферии, центральная часть воздушного потока, очищенная от пыли, в количестве ~ 90% от общего расхода поступает в выходной патрубок 20, из него по стрелке 25 проходит в ресивер (проточный канал сборного коллектора очищенного воздуха) 9 и далее поступает в воздухозаборник 3. Отсепарированная к периферии рабочего пространства циклона пыль вместе с частью воздуха ~10% от общего количества - (пылевой концентрат) поступает в кольцевой канал 22 и выходит по стрелке 26 в пылесборный коллектор 13, далее по пылесборному каналу 14, пылеотводному каналу 15 поступает в вентилятор 16 и выбрасывается в окружающее пространство по стрелке 27.
Эффективная очистка воздуха от пыли в мультициклонных воздухоочистителях возможна при условии эффективной очистки воздуха в каждом из прямоточных циклонов, входящих в состав воздухоочистителя. Эффективная очистка в отдельном циклоне возможна при работе его в определенном диапазоне расхода воздуха. На графиках фиг. 6, 7 приведены типовые характеристики эффективности работы одиночного прямоточного циклона. На фиг. 6 - зависимость пропуска пыли от количества отсасываемого с пылью воздуха для разных размеров выходного патрубка, на расчетном режиме работы. Из него видно, что к снижению эффективности работы ведут увеличение размера выходного патрубка и уменьшение количества отбираемого пылевого концентрата, особенно ниже 2,5%.
На фиг. 7 показана зависимость пропуска пыли от изменения расхода воздуха через циклон и от количества отсасываемого с пылью воздуха. График показывает увеличение пропуска пыли (снижение эффективности) со снижением расходного режима работы - от расчетного 1 до минимального - 0,5, а также с уменьшением количества отсасываемого с пылью воздуха - от 15% до 5%.
Эффективность очистки воздуха у воздухоочистителя, выполненного на базе множества прямоточных циклонов, обычно ниже эффективности отдельного циклона. Снижение эффективности вероятнее всего происходит из-за уменьшения количества отбираемого с пылью воздуха у некоторой части циклонов, а также из-за возможного перехода некоторых циклонов в режим работы с перетоком пыли.
Расчет параметров потока в сборном коллекторе воздухоочистителя показывает, что в рассматриваемой компоновке очистителя, где в силу габаритных ограничений площади проходных сечений сборного коллектора ограничены, скорости потока в коллекторе имеют высокий уровень, особенно это проявляется в зоне расположения последних по потоку циклонов, в зоне перед входом в воздухозаборник.
Прямые замеры распределения некоторых параметров воздуха по циклонам, установленным в воздухоочистителе, подтверждают описываемую картину и, более того, демонстрируют наличие циклонов, работающих в режиме недостаточного количества отсасываемого воздуха (в наиболее скоростных участках коллектора).
На графиках фиг. 8 показано типичное распределение некоторых параметров у циклонов, расположенных последовательно вдоль ресивера 9, а также сообщенных с пылесборным коллектором 13 (нумерация циклонов на схеме справа налево).
Кривые на графике показывают:
28 - распределение давления воздуха в полости ресивера (сборного коллектора) 9 в сечениях напротив выхода из циклонов;
29 - распределение расходов воздуха по циклонам с исходной (одинаковой) геометрией выходных патрубков;
29' - распределение расходов воздуха по циклонам с выходными патрубками с корректированной (уменьшенной) площадью проходного сечения у циклонов, имевших повышенный расход;
30 - распределение давления в пылесборном коллекторе 13, устанавливаемое в системе вентилятором отсоса пыли 16;
31 - распределение давления в рабочих зонах циклонов, имеющих одинаковый исходный размер выходных патрубков;
31' - распределение давления в рабочих зонах циклонов с уменьшенной площадью проходного сечения у циклонов, имевших повышенный расход;
32 - распределение площади проходного сечения выходных патрубков циклонов с исходной (одинаковой) геометрией;
32' - распределение площади проходного сечения выходных патрубков циклонов с корректированной геометрией выходных патрубков;
33 - перепады давления воздуха между давлением в пылесборном коллекторе и давлением в рабочей зоне циклонов с исходной (одинаковой) геометрией выходных патрубков;
33' - перепад давления между давлением в пылесборном коллекторе и давлением в рабочей зоне циклона с корректированной (уменьшенной) площадью геометрией выходных патрубков.
Из приведенных графиков следует, что в условиях ограничения величины площади проходного сечения у сборного коллектора статическое давление вдоль коллектора непостоянно - кривая 28, в районе циклонов №№10-12 статическое давление (манометрическое разрежение) почти в полтора раза превышает давление в начале коллектора - у циклона №1 соответственно расходы воздуха имеют неравномерность в пределах ±15% - кривая 29. При такой неравномерности расходов у циклонов в их рабочих зонах 23 также будут устанавливаться различные уровни давления - кривая 31, которые, в свою очередь, образует с давлением в пылесборном коллекторе 13 - кривая 30 переменные перепады давления 33 у разных циклонов, в зависимости от их местоположения, причем у циклонов, располагающихся в конце сборного коллектора (№№10-12), перепады давления настолько малы, что не обеспечивают минимально допустимого отбора воздуха от циклонов 2,5%-5%. Описанная выше картина имела место при одинаковой исходной геометрии выходных патрубков циклонов с площадью проходного сечения патрубков, равной 1, - кривая 32. Если в вышеописанной картине учесть влияние турбулентности течения воздуха на входе, затенение, пульсации индуктивного потока с роторной и лопастной частотой, то кривые 30 и 31 трансформируются из линий в шлейфы, сужающие пространство для перепада давления 33 у последних циклонов, у которых перепад может стать и нулевым, и поменять значение на противоположное по знаку (то есть привести к режиму перетока), при этом общее суммарное количество воздуха, отсасываемого от циклонов с пылью, будет составлять расчетные ~10%. На фиг. 8 трансформация кривой 31 в шлейф показана в районе циклонов №№10-12 в виде условной синусоиды. Таким образом, в описываемом случае режим эффективной очистки воздуха у всех циклонов множества не достигнут, как следствие, не реализуется эффективная очистка воздуха и во всем воздухоочистителе.
В предлагаемом способе формирования режима эффективной очистки воздуха от пыли в воздухоочистителе, включающем в своем составе множество прямоточных циклонов, осуществляют путем формирования эффективной очистки воздуа в каждом из циклонов множества, для чего у всех циклонов формируют равномерное распределение расхода воздуха по кривой 29'. Выравнивание расходов производят путем дросселирования воздушного потока у циклонов, имевших повышенный расход воздуха (в нашем случае циклоны №№7-12). Степень дросселирования циклонов подбирают исходя из условия поддержания на расчетном режиме работы воздухоочистителя равенства расходов воздуха через циклоны расчетному значению - среднее значение кривой 29'. При этом также поддерживают равенство между собой уровней давления воздуха внутри рабочих зон 23 у циклонов - кривая 31'. Дросселлированию подвергают поток очищенного воздуха на участке движения его по выходному патрубку 20 циклона 12 посредством местного уменьшения площади проходного сечения патрубка. От каждого циклона воздухоочистителя осуществляют отвод расчетного значения относительного количества воздуха, отсасываемого из него вместе с отсепарированной пылью, путем поддержания перепада давления 33' между давлением 31' в рабочей зоне 23 циклона и давлением в полости пылесборного коллектора 13 в зоне расположения циклона - кривая 30. В показанном варианте применение способа формирования режима осуществлено путем дросселирования, выполненного у циклонов №№7-12, за счет уменьшения площади проходного сечения выходных патрубков в соответствии с кривой 32', при этом было использовано ступенчатое уменьшение площади проходного сечения (один типоразмер на 2 и 3 ряда циклонов).
В результате мер, принятых в соответствии с предлагаемым способом, перепад давления 33', определяющий величину расхода воздуха, отводимого от циклонов с пылью, у всех 12 циклонов принял приблизительно одинаковое значение, достаточное для отвода от циклонов расчетного количества воздуха ~10% от общего расхода воздуха, проходящего через циклон (и не менее 2,5%-5%), что дает основание ожидать реализации режима эффективной очистки воздуха от пыли в воздухоочистителе в условиях реальной эксплуатации его на вертолете.
Следует отметить, что в соответствии с графиком фиг. 6 эффективность очистки воздуха в прямоточных циклонах зависит от размера диаметра входного отверстия выходного патрубка, поэтому дросселирование циклонов рекомендуется производить именно во входном сечении выходного патрубка.
Необходимо также иметь в виду, что дросселирование части циклонов приводит к увеличению общего гидравлического сопротивления воздухоочистителя. Если это недопустимо, то сохранение исходного уровня потерь давления в воздухоочистителе можно обеспечить за счет увеличения количества циклонов либо за счет снижения гидравлического сопротивления у другой части циклонов путем их раздросселирования. Таким образом, проведение выравнивания распределения расхода воздуха по циклонам за счет дросселирования воздушного потока в одних циклонах или раздросселирования в других - это вопрос выбора проектировщика между наличием потенциальных возможностей и ограничений в параметрах воздухоочистителя по уровню эффективности очистки или по гидравлическому сопротивлению.
Источники информации
1. US 3421296, 14.01.1969.
2. RU 2181439, 20.04.2002.
3. GB 2404603, 09.02.2005.
4. В.Д. Орехов, П.И. Курилкина. Защита авиационных ГТД от повреждения посторонними предметами. Обзор ЦАГИ №680, 1988 г., стр. 70.
5. М.М. Масленников, Ю.Г. Бехли, Ю.И. Шальман. Газотурбинные двигатели для вертолетов. Машиностроение, Москва, 1969 г., стр. 177.
6. Б.З. Теверовский. Очистка газов в черной металлургии. Изд. Проминь, Днепропетровск, 1971 г., стр. 18.
7. Г.М. Гордон, И.Л. Пейсахов. Пылеулавливание и очистика газов в цветной металлургии. Москва, Металлургия, 1977 г., стр. 159.
8. К.Г. Руденко, А.В. Калмыков. Обеспыливание и пылеулавливание при обработке полезных ископаемых. Недра, Москва, 1971 г., стр. 234.
9. Я. Зайончковский. Обеспылевание в промышленности. Москва. Издательство литературы по строительству, 1969 г., стр. 228-231.
10. В.Е. Маев, Н.Н. Пономарев. Воздухоочистители автомобильных и тракторных двигателей. Москва, Машиностроение, 1971 г., стр. 76-75.
11. И.Е. Идельчик. Аэродинамика промышленных аппаратов. Москва, Энергия, 1964 г., стр. 187, 197.