ВИХРЕВОЙ СЕПАРАТОР С ЛОПАТОЧНЫМ АППАРАТОМ

Заявляемое изобретение относится к области отделения диспергированных частиц от газов с использованием инерционных или центробежных сил и может быть использована в системах питания воздухом газотурбинных силовых установок судов и амфибийных аппаратов на воздушной подушке, а также систем питания воздухом энергетических установок с мощными двигателями внутреннего сгорания различных типов, используемых в составе стационарных и мобильных технологических объектов, работающих в условиях сильно загрязненного атмосферного воздуха.
Из технического уровня известен вихревой воздухоочиститель, который содержит корпус с откачивающей камерой с одним или несколькими сепарационными элементами, каждый из которых состоит из последовательно расположенных препаратов сепаратных патрубков с лопастными завихрителями и выходного патрубками. Плоские лопатки завихрителей установлены между сепарационными патрубками и дисками так, что их прямолинейные выходные кромки образуют внутренние полости гиперболоидов вращения и являются их прямолинейными образующими, Горловая окружность гиперболоида первого по ходу воздуха завихрителя располагается в плоскости диска или плоскости, параллельной диску и отстоящей от него внутрь завихрителя, а горловина окружности гиперболоида второго по ходу воздуха завихрителя располагается в плоскости диска или плоскости, параллельной диску и отстоящей от него навстречу потоку воздуха. Диск второго по ходу воздуха завихрителя с прикрепленными к нему лопатками выступает из сепарационного патрубка навстречу потоку воздуха внутрь первого сепарационного патрубка, а в стенке второго сепарационного патрубка перед началом прилегания к нему лопаток выполнены прямоугольные щели для, а отвода пристенного слоя воздуха с отсепарированными частицами в откачивающую камеру. Предложенное конструктивное решение повышает эффективность очистки и снижение гидравлического сопротивление [RU 2259862, B01D 45/12, B04C 3/00, дата публикации 0.09.2005].
Недостатком устройства является сложность его конструктивного решения и принцип очистки на основе центробежных сил, которое не обеспечивает очистку от фракции мелких частиц.
Известен также инерционный сепаратор, содержащий трубчатый корпус, имеющий впускное отверстие на одном конце, выпускное отверстие на противоположном конце и центральный проход между ними, центральный проход имеет периферийный участок и центральный участок, отклоняющее устройство, соосно установленное в проходе. Отклоняющее устройство имеет множество разнесенных центрально объединенных лопастей, примыкающих к стенке прохода и расположенных под углом к линии потока воздуха от впускного отверстия к выпускному отверстию, чтобы создавать вихревой поток входящего воздуха центробежно концентрирующего частицы загрязняющего вещества в воздухе на периферии прохода и выходящего из воздуха в центре прохода, относительно свободного от частиц загрязняющего вещества, соосный выпускной элемент, расположенный внутри конца выпускного отверстия трубчатого корпуса. Выпускной элемент имеет впускное отверстие на одном конце выпускное отверстие на противоположном конце и центральный проход между ними для подачи чистого воздуха из центрального участка центрального прохода трубчатого корпуса, причем конец впускного отверстия выпускного элемента имеет меньший диаметр, чем центральный проход трубчатого корпуса, в котором трубчатый корпус и отклоняющее устройство каждый содержит композицию, содержащую полимер, выбранный из группы, состоящей из сополимера циклоолефина и полимера циклоолефина, и многогранный олигомерный силсескви-оксан, и/или антипирен. и/или антистатическую добавку. Матрица инерционного сепаратора содержит два или более указанных сепараторов [RU 2008138457, F01N 3/037, дата публикации 10.04.2010 г].
Недостатком известного устройства является принцип очистки, заложенный в конструкции, сепарация на основе центробежных сил, которая не обеспечивает очистку от фракции мелких частиц.
Прототипом предлагаемого устройства является вихревой сепаратор с лопаточным аппаратом одноступенчатого воздухоочистителя инерционного типа для газотурбинного двигателя ГТД-1250. В воздухоочистителе установлены две батареи вихревых сепараторов (28 шт.), которые предназначены для очистки воздуха и отвода пыли в трассу, совмещенную с системой выпуска отработавших газов двигателя. Вихревой сепаратор включает корпус, в верхней части которого на шпильке установлена лопаточная розетка, обеспечивающая закручивание входящего в сепаратор воздушного потока. Под розеткой вдоль оси циклона установлен конус с тангенциальными прорезями для отвода очищенного воздуха. В нижней части корпуса циклона выполнено прямоугольное окно для отвода отсепарированной пыли в пылесборник. [Техническое описание и инструкция по эксплуатации танка Т-80Б, 1989 г.]
Недостатком прототипа является низкая эффективность сепарации, на которую центробежные силы оказывают недостаточное влияние и, вследствие этого, величина коэффициента пропуска пыли может достигать 2,4% и более, что приводит к интенсивному износу проточной части компрессора, лопаток турбины и снижению срока службы двигателя.
Задачей изобретения является создание вихревого сепаратора с лопаточным аппаратом, обеспечивающего высокую степень очистки, включая мелкодисперсные примеси.
Технический результат, объективно проявляющийся при реализации устройства, является повышение степени очистки, включая частицы мелких фракций с размерами 5,0…30,0 мкм.
Решение указанной задачи и достижение технического результата стало возможным благодаря тому, то в вихревом сепараторе, содержащем цилиндрический корпус, лопаточный аппарат из композитных материалов с направляющими лопатками, конус с поясами тангенциальных прорезей с отбойными козырьками, с окном в нижней части цилиндрического корпуса, соединенным с пылесборником, верхняя часть профиля направляющих лопаток лопаточного аппарата имеет покрытие из активного диэлектрического материала накапливающего высокий электрический заряд за счет трения при скоростном обтекании диэлектрика воздушно-пылевым потоком, достаточный для агломерации частиц мелкой фракции.
В отличие от ближайшего аналога в предлагаемом изобретении наряду с центробежным воздействием на воздушный поток для улавливания частиц дополнительно используется электростатический принцип улавливания частиц мелкой фракции от 5 до 30 мкм, построенном на способности покрытия верхней части профиля направляющих лопаток из активного диэлектрического материала, приобретать высокий электрический заряд при скоростном обтекании воздушно-пылевым потоком, достаточный для агломерации этих частиц.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежом, на котором показан вихревой сепаратор, включающий:
1 - цилиндрический корпус,
2 - лопаточный аппарат,
3 - направляющие лопатки,
4 - конус,
5, 6, 7 - пояса,
8 - тангенциальные прорези,
9 - отбойные козырьки,
10 - пылесборник,
11 - окно,
12 - покрытие из активного диэлектрического материала
Заявляемый вихревой сепаратор состоит из цилиндрического корпуса 1. В верхней части корпуса установлен лопаточный аппарат 2 с профилированными направляющими лопатками 3. К лопаточному аппарату закреплен конус 4 с тремя последовательными поясами: пояс 5, пояс 6 и пояс 7, в которых выполнены тангенциальные прорези 8, которые сверху прикрывают отбойными козырьками 9. В нижней части корпуса 1 выполнено окно 11 для отвода пыли в пылесборник 10. Верхняя часть профиля направляющих лопаток 3 лопаточного аппарата 2 имеет покрытие 12 из активного диэлектрического материала, который приобретает высокий электрический заряд при скоростном обтекании воздушно пылевым потоком.
Работа вихревого сепаратора происходит следующим образом.
Очищаемый воздух подают в вихревой сепаратор, где он поступает в лопаточный аппарат 2. В лопаточном аппарате 2 загрязненный воздух закручивают профилирующими лопатками 3, которые формируют внутри корпуса 1 интенсивное вихревое движение. При этом частицы пыли крупной и средней фракций сразу закручиваются входящим в циклон вихревым потоком и сортируются в нем за счет центробежных сил. Однако для частиц пыли мелких фракций 5-15 мкм влияние инерционных сил не является определяющим. Они захватываются полем электростатического заряда и осаждаются на диэлектрическом покрытии 12 в виде агломератов из «слипшихся» частиц пыли. Далее сформированные агрегаты, аналогично частицам пыли крупной и мелкой фракций, захватываются центробежными силами вихревого движения, которые увлекают частицы пыли к внутренним стенкам корпуса 1. Воздух с высокой концентрацией пыли у внутренней стенки корпуса 1 в вихревом движении поступает к окну 11 и выносится из пылесборника 10 при помощи вентиляторов (на фиг. не показаны). Воздух, очищенный от пыли, в поступательном вихревом движении обтекает конус 4 и поступает в три пояса, а именно, в пояс 5, пояс 6 и пояс 7 через соответствующие тангенциальные прорези 8. Далее очищенный воздух через полое основание (на фиг. не показано) конуса 4 поступает на питание двигателя. Отбойные козырьки 9 над прорезями 8 предотвращают перехват крупных пылинок струями очищенного воздуха, поступающими через тангенциальные прорези 8.
Практическая применимость заявляемого изобретения показана на следующих примерах конкретного использования.
Пример 1. Прототип
В воздухоочистителе установлены две батареи вихревых сепараторов (28 шт.), которые предназначены для очистки воздуха и отвода пыли в трассу, совмещенную с системой выпуска отработавших газов двигателя.
Воздухоочиститель изготовлен из листов алюминиевого сплава и тонколистовой нержавеющей стали.
Гидравлическое сопротивление не превышает 300 мм вод. ст.
Величина коэффициента пропуска пыли - 2% и более, что приводит к интенсивному износу проточной части компрессора, лопаток турбины и снижению срока службы двигателя.
Пример 2.
На основе заявляемого изобретения изготовлен блок вихревых сепараторов 11935-07-0118СБ полностью выполненный из композиционных материалов.
Лопатки блока выполнены из прессованного стеклопластикового композита АГ-4С
Покрытие лопаток выполнено из активного диэлектрического материала фторопласт-4.
Ширина покрытия равна радиусу лопатки.
Опытный образец блока вихревых сепараторов обладает повышенной способностью к очистке воздуха при заданных скоростях потока - степень очистки питающего воздуха от мелких фракций пыли с размерами 5…30 мкм составляет 98,2%.
Гидравлическое сопротивление опытного блока в области входной скорости 8 м/с не превышает 0.5 кПа, что в 2,0 раза ниже предельного требования по техническому заданию.
Требование технического задания по максимально допустимому сопротивлению (не более 1 кПа при входной скорости 8 м/с) обеспечивается с большим запасом.
Как видно из приведенных примеров изобретение решает поставленную задачу и позволяет повысить степень очистки загрязненного воздуха по сравнению с прототипом.