ФИЛЬТРАЦИЯ ПОТОКА, СОСТОЯЩЕГО ИЗ ГАЗА И ЧАСТИЦ
FILTRATION OF FLOW CONSISTING OF GAS AND PARTICLES

Данное изобретение относится в целом к области устройств и способов, предоставляющих возможность отделить или отфильтровать поток газа, несущий частицы жидкости или твердого вещества, например, масла, от потока, содержащего смесь газа и частиц. Конкретная область применения данного изобретения представляет собой область газотурбинных (турбореактивных и турбовинтовых) двигателей для самолетов.
Газотурбинные двигатели для самолетов включают кожухи, содержащие подшипники и передаточные механизмы, которые смазывают и охлаждают маслом. Для того, чтобы предотвратить вытекание масла из кожухов, между вращающимися деталями и стационарными деталями кожухов или даже между вращающимися деталями расположены уплотнения. Среди различных доступных уплотнений наиболее длительный срок службы имеют лабиринтовые и щеточные уплотнения, при отсутствии контакта между деталями в первом случае и при очень ограниченном контакте во втором случае.
Для того, чтобы обеспечить идеальное уплотнение кожухов, снабженных лабиринтовыми и щеточными уплотнениями, через уплотнения должен проходить поток воздуха, и этот поток воздуха обычно отбирают на одной из ступеней компрессора двигателя. Применение такого способа предполагает также обеспечение устройств, отделяющих масло от воздуха, выпускаемого из двигателя. Такие устройства, обычно их называют маслоотделителями, сами по себе хорошо известны. Можно сослаться, например, на документы ЕР 1582703, US 4981502 и US 6033450, в которых описаны различные типы центробежных маслоотделителей.
Для того, чтобы работать должным образом, маслоотделители центробежного типа должны вращаться с высокой скоростью, при циркуляции потока воздуха и масла и фильтрации его через пеноматериалы. Чем выше скорость вращения таких маслоотделителей, тем выше возникающие перепады давлений. Поскольку уплотнения кожуха сконструированы таким образом, чтобы работать при заданном перепаде давлений, давление отбора в компрессорах следует увеличивать, если маслоотделитель создает более высокий перепад давлений. Такой отбор при более высоком давлении вреден для рабочих характеристик двигателя, так как воздух, отбираемый для работы маслоотделителей, не участвует в создании движущей силы турбинным двигателем, а также и для охлаждения подшипников и передаточных механизмов, так как отбор при повышенном давлении предполагает, что воздух отбирают при более высокой температуре. Помимо этого, поток воздуха, который отбирают с одной из ступеней компрессора, зависит от рабочей скорости двигателя, так что минимальный поток воздуха, необходимый для уплотнения кожухов и работы маслоотделителей, рассчитывают на основе медленной фазы двигателя (такая фаза соответствует рабочей скорости двигателя, во время которой отбираемый поток воздуха является наименьшим). В ходе других фаз работы двигателя, а более конкретно на полной скорости, поток воздуха, проходящий через кожухи, является избыточным по сравнению с величиной, которая достаточна для обеспечения уплотнения кожухов, что вызывает чрезмерное потребление масла, со всеми вытекающими из этого вредными последствиями (загрязнение, дополнительные затраты и т.д.).
Кроме того, применяемые в настоящее время центробежные маслоотделители очень специфично и ограничивающим образом встраивают в турбинный двигатель, из-за существующих вращающихся деталей, которые должны перемещаться в пределах маслоотделителей.
Описанное здесь изобретение обеспечивает эффективное, легко осуществляемое и экономичное решение вышеупомянутых проблем.
С этой целью данное изобретение относится к устройству для фильтрации потока газа, переносящего частицы жидкости или твердого вещества, такому как маслоотделитель, и упомянутое устройство включает:
- проточный канал, включающий суженный участок, продолжением которого является расширение в направлении ниже по потоку,
- отводящий канал, имеющий входное отверстие, расположенное внутри проточного канала так, что оно находится по существу на одной оси с суженным участком, на его продолжении ниже по потоку,
при этом отводящий канал и проточный канал выполнены так, что поток, циркулирующий в отводящем канале, меньше, чем поток, циркулирующий в проточном канале.
Для того, чтобы лучше понять расположение входного отверстия отводящего канала по отношению к суженному участку проточного канала, такое входное отверстие можно описать, как находящееся напротив расположенного выше по потоку от него торца суженного участка, в то же время находясь внутри расширенной части проточного канала.
Таким образом, вышеуказанное фильтрующее устройство имеет относительно простое исполнение в отношении его конструкции, поскольку оно не требует вращающихся деталей. Кроме того, оно имеет относительно малые размеры и, таким образом, его можно легче встроить, например, в турбинный двигатель, чем известные центробежные маслоотделители. Кроме того, оно работает без фильтрующих средств на основе пеноматериалов, что снижает создаваемые перепады давления. Таким образом, в турбинном двигателе не обязательно использовать такое же высокое давление отбора, как в случае центробежных маслоотделителей в компрессорах.
Работа предпочтительного фильтрующего устройства основана на следующем принципе: поток, содержащий воздух и частицы, течет по проточному каналу к суженному участку; в расширении проточного канала, находящемся ниже по потоку от суженного участка, находящийся в потоке воздух, поведение которого можно сравнить с поведением идеальной текучей среды, в основном обходит входное отверстие отводящего канала и продолжает протекать в проточном канале. Фактически, фильтрующее устройство выполнено так, что поток, циркулирующий в отводящем канале меньше, чем поток, циркулирующий в проточном канале. Этого достигают, например, путем увеличения гидродинамического сопротивления в отводящем канале, или путем увеличения статического давления ниже по потоку от отводящего канала, или путем сочетания того и другого.
Находящиеся в потоке частицы жидкости или твердых веществ имеют значительно более высокую плотность, чем воздух, и таким образом они обладают значительно более высокой инерцией, чем воздух; и эта инерция, из-за механического момента частиц, заставляет их течь в основном на геометрическом продолжении суженного участка, ниже по потоку от него, а не в расширении проточного канала. Таким образом, эти частицы не обходят входное отверстие отводящего канала, которое расположено по существу на одной оси с продолжением суженного участка ниже по потоку, но напротив, входят в него. Соответственно, находящиеся в потоке частицы в основном попадают в отводящий канал, в то время как находящийся в том же потоке воздух в основном обтекает отводящий канал и продолжает протекать в проточном канале.
Таким образом, скорость, допустимая в отводящем канале, предпочтительно должна быть установлена так, чтобы она соответствовала исключительно скорости частиц в потоке. Тогда частицы не скапливаются в отводящем канале, а воздух циркулирует полностью за пределами отводящего канала.
В конкретном воплощении суженный участок проточного канала имеет сечение, размер которого меньше или равен сечению входного отверстия отводящего канала, предусмотренного на его продолжении. Также можно сказать, что сечение суженного участка может быть включено в сечение входного отверстия отводящего канала.
Проточный канал может также иметь, выше по потоку от суженного участка, горловину, сужающуюся по ходу потока.
Благодаря этой отличительной особенности в проточном канале реализуют принцип Вентури. Таким образом, выше по потку от суженного участка поток ускоряется по направлению к этому суженному участку, что придает частицам на выходе из суженного участка более высокий механический момент, чем на входе их в фильтрующее устройство. В этом случае частицы должны в дальнейшем более эффективно направляться во входное отверстие отводящего канала, в то время как они все еще остаются слишком быстрыми для отклонения.
Предпочтительно в отводящем канале расположено средство всасывания частиц, например, насос. Путем соответствующего выбора характеристик насоса облегчают возможность создания допустимого расхода в отводящем канале с целью оптимизации фильтрующего устройства, как это было разъяснено выше.
Преимущественно по меньшей мере часть проточного канала сформирована коаксиально вокруг отводящего канала, вниз по потоку от входного отверстия отводящего канала. При такой конфигурации воздух в потоке, который в основном циркулирует в проточном канале в обход входного отверстия отводящего канала, не отклоняется в значительной степени от его траектории выше по потоку от суженного участка. Таким образом снижают потери давления, вызываемые фильтрующим устройством. Проточный канал и отводящий канал могут быть также сформированы вдоль и вокруг одной продольной оси.
Согласно конкретному воплощению, в проточном канале, ниже по потоку от входного отверстия отводящего канала, сформированы препятствия протеканию частиц. Таким образом, частицы, которые остаются в проточном канале, блокируют ниже по потоку от входного отверстия отводящего канала, и фильтрующая способность устройства повышается.
Препятствия протеканию частиц предпочтительно включают буфер, установленный поперек проточного канала. Такой буфер может включать, например, стенки, сформированные друг за другом по проточному каналу и содержащие не совмещающиеся отверстия.
Кроме того, буфер может включать промежуточную стенку, содержащую на передней поверхности концентрические канавки для стока частиц и сформированную напротив канала для всасывания частиц, выходящего в проточный канал. Такое решение дает возможность эффективно удалять частицы из буфера, и частицы не могут нежелательным образом скапливаться в фильтрующем устройстве.
Данное изобретение также относится к турбинному двигателю, который включает вышеуказанное фильтрующее устройство, расположенное в контуре, по которому проходит смесь воздуха и масла.
В этом случае фильтрующее устройство может быть расположено в корпусе, приводящем в движение вспомогательное оборудование турбинного двигателя, или оно может быть отлито вместе с корпусом турбинного двигателя, и оно может быть присоединено:
- на входе проточного канала, к корпусу для смазки подшипников или передаточного механизма, и
- на выходе отводящего канала, к контуру для сбора масла.
Последнее решение является особенно интересным, так как оно обеспечивает решение с оптимальной компоновкой, которое не требует дополнительных средств присоединения. Однако следует отметить, что в любом случае, фильтрующее устройство, которое является объектом данного изобретения, дает возможности компоновки, которые являются гораздо более широкими и разносторонними, чем известный центробежный маслоотделитель.
Что касается предложенного в данном документе способа фильтрации потока газа, несущего частицы жидкости или твердых веществ, то из вышеизложенного следует понимать, что при реализации данного способа:
- на указанном пути потока расположен отводящий канал, имеющий входное отверстие, расположенное внутри проточного канала, включающего суженный участок, который ниже по потоку продолжен расширением; так что указанное входное отверстие по существу расположено на одной оси с суженным участком, на его продолжении по ходу потока,
- и поток, циркулирующий в отводящем канале, меньше, чем поток, циркулирующий в проточном канале.
Различные аспекты изложенных здесь решений станут более понятны, а прочие их подробности, отличительные признаки и преимущества станут очевидными, из последующего описания, представленного посредством неограничивающего примера, со ссылкой на приложенные чертежи, где:
- Фиг. 1 представляет схематичный вид в сечении предложенного фильтрующего устройства;
- Фиг. 2 представляет схематичный вид спереди стенки с канавками в буфере, который может быть встроен в указанное фильтрующее устройство;
- Фиг. 3 представляет схематичный вид сбоку в сечении стенки с канавками, изображенной на Фиг. 2;
- Фиг. 4 представляет схематичный вид турбинного двигателя, в который может быть включено предложенное фильтрующее устройство.
Сначала обратимся к Фиг. 1, где изображено устройство 10 по данному изобретению для фильтрации частиц в потоке. Такое устройство является особенно предпочтительным с точки зрения фильтрации масла из потока, содержащего воздух и капли масла.
Устройство включает два канала 12, 14, при этом канал 12 является проточным каналом, а другой канал 14 является каналом для отвода частиц с целью фильтрации.
Отводящий канал 14 и проточный канал 12, соответственно, ограничивают первый и второй калиброванные проходы, или трубчатые отрезки, при этом первый из них предназначен для протекания потока текучей среды, меньшего, чем поток, протекающий во втором проходе.
В данном случае проточный канал 12 сформирован в целом с круглым сечением и проходит вдоль прямой оси 16. Однако такие соображения не имеют ограничивающих целей в отношении работы устройства, что подразумевает, что сечение проточного канала 12 может иметь любую форму, и он может не проходить прямолинейно.
Проточный канал 12 включает входное отверстие 18, в которое вводят поток из воздуха и частиц (твердых или жидких), с заданным расходом и скоростью. Ниже по потоку от этого отверстия 18 проточный канал 12 постепенно уменьшается в сечении 20 по ходу потока, образуя воронку 20 в направлении движения потока. Горловина этого участка выходит, ниже по ходу потока, непосредственно в цилиндрическую часть 22 проточного канала, которая, таким образом, имеет более узкое сечение, чем входное отверстие 18. Цилиндрическая часть 22 выходит, ниже по потоку, непосредственно в часть 24 канала, сечение которой постепенно увеличивается в направлении по ходу потока, то есть в направлении по ходу потока он конусообразно расширяется. Эта коническая часть 24 проточного канала ниже по потоку соединена с цилиндрической частью 26, сечение которой больше, чем у цилиндрической части 22, которую называют суженным участком 22, расположенной между имеющей форму воронки частью 20 и конической частью 24. Длина суженного участка 22 может изменяться, и даже может быть точечной (punctual), в некоторых случаях. В случае, изображенном на Фиг. 1, расположенный ниже по потоку конец 28 широкой цилиндрической части 26, расположенной ниже по потоку, снабжен стенками и соединен с перпендикулярным воздухоотводящим каналом 30, расположенным вблизи такой стенки 28.
Отводящий канал 14, в изображенном здесь случае цилиндрический, расположен коаксиально внутри проточного канала 12, ниже по потоку от суженного участка 22. Сечение отводящего канала 14 предпочтительно больше, чем сечение суженного участка 22, и меньше, чем широкая цилиндрическая часть 26 проточного канала 12, расположенная ниже по потоку. Отводящий канал 14 на его входном конце имеет входное отверстие 32, которое обращено к суженному участку 22, или сформировано напротив него, находящегося еще выше по потоку. На Фиг. 1 входное отверстие 32 сформировано в конической части 24 проточного канала 12. Таким образом, отводящий канал 14 проходит в направлении по ходу потока, коаксиально с проточным каналом 12, и проходит через расположенную ниже по потоку заднюю стенку 28 проточного канала 12. Расположенный ниже по потоку конец 34 отводящего канала 14 закрыт перегородкой, и на расположенном ниже по потоку конце 34 в отводящий канал 14 выходит всасывающий канал 36. Всасывающее средство 36 соединено ниже по потоку с насосом 78, регулирующим уровень откачивания.
В проточном канале 12 сформированы три последовательно расположенные поперечные стенки 40, 42, 44, образующие буфер 38, в широкой, расположенной ниже по потоку цилиндрической части 26 проточного канала 12, ниже по потоку от входного отверстия 32 отводящего канала 14. Как расположенная выше, так и расположенная ниже по потоку стенки 40, 44 проходят внутрь от стенки проточного канала 12, и каждая из них имеет цилиндрическое отверстие 46 в центре, создающее внутреннее цилиндрическое пространство для протока между ней и стенкой отводящего канала 14. Кроме того, во внешней части расположенной выше по потоку стенки 40 имеется по меньшей мере одно отверстие 48. Вторая промежуточная стенка 42 проходит от стенки отводящего канала 14 наружу, в то же время оставляя внешнее цилиндрическое пространство для протока между ней и стенкой проточного канала 12. Всасывающее средство 50 выходит в отводящий канал напротив этой промежуточной стенки 42, между расположенными выше и ниже по потоку поперечными стенками 40, 44. Это всасывающее средство 50 соединено, ниже по потоку, с насосом 80, регулирующим уровень откачивания. Буфер 38 может также состоять из более чем трех поперечных стенок, если только соблюдено чередующееся расположение стенок, как показано выше.
При работе поток, содержащий воздух и частицы, поступает в проточный канал 12 через его входное отверстие 18. Поток ускоряется в воронкообразной части 20 и достигает максимальной скорости на суженном участке 22, где проточный канал 12 обладает наименьшим сечением. На выходе из суженного участка 22, в расширяющейся части 24, где находится входное отверстие 32 отводящего канала 14, воздух и частицы обладают различными соответствующими характеристиками.
На выходе из суженного участка 22 воздух ведет себя как идеальная текучая среда и течет частично по проточному каналу 12 и частично в отводящий канал 14; в этих каналах создаются соответствующие перепады давления. Эти параметры задают, подбирая насос 78 таким образом, чтобы расход в отводящем канале 14 по существу был равен только расходу частиц, имеющихся в потоке, и был в любом случае ниже, чем расход в проточном канале 12 ниже по потоку от входного отверстия 32 отводящего канала 14. Таким образом, воздух течет в направлении по ходу потока главным образом в проточном канале 12, а не в отводящем канале 14, и его выпускают через расположенный ниже по потоку отводящий канал 30.
Что касается частиц, они обладают поведением, соответствующим обычной механике твердого тела, и, таким образом, проявляют инерцию. Поэтому на выходе из суженного участка 22 механический момент частиц, ускоренных в воронкообразной части 20, продолжает перемещать их по инерции в том же направлении, в котором они двигались на выходе из суженного участка 22, то есть в изображенном здесь случае на цилиндрическом продолжении суженного участка 22. Так как входное отверстие 32 отводящего канала 14 сформировано вокруг этого цилиндрического продолжения суженного участка 22, частицы попадают в отводящий канал 14. Таким образом, устройство должно быть выполнено так, чтобы частицы обладали достаточной скоростью и двигались слишком быстро для того, чтобы их можно было отклонить, посредством воздуха, в пространство вокруг входного отверстия 32 отводящего канала 14. Поскольку скорость, допустимая в отводящем канале 14, по существу соответствует скорости одних только частиц в потоке, частицы будут поступать в отводящий канал 14 и всасываться в расположенный ниже по потоку всасывающий канал 36.
Если частицы остаются в проточном канале 12 ниже входного отверстия 32 отводящего канала, буфер 38 может перехватывать такие частицы, которые будут оседать между расположенными выше и ниже по потоку стенками 40 и 44 буфера, и всасываться всасывающим средством 50 с использованием насоса 80.
Следует отметить, что насосы 78 и 80 могут представлять собой один и тот же насос, с которым соединены всасывающие средства 36 и 50. На работу устройства это не влияет.
Теперь обратимся к Фиг. 2 и 3, на которых более подробно показана промежуточная стенка 42 буфера 38.
Передняя поверхность промежуточной стенки 42 снабжена концентрическими круговыми канавками 52. Кроме того, кольцеобразный участок стенки 42 с внешней стороны каждой канавки 52 тоньше, чем кольцеобразный участок стенки с внутренней стороны этой канавки. Таким образом, при работе частицы, перехваченные этой стенкой 42, стекают из проточного канала 12 к всасывающему средству 50, например, под действием силы тяжести, по окружности вдоль таких канавок 52 в верхней части устройства 10 и радиально к всасывающему средству 50 в нижней части устройства.
Теперь обратимся к Фиг. 4, на котором изображен турбинный двигатель 54, в который фильтрующее устройство можно встроить таким образом, чтобы удовлетворить вышеупомянутым эксплуатационным ограничениям. В направлении по ходу потока турбинный двигатель содержит воздуходувку 56, компрессор 58 низкого давления, промежуточный корпус 60, компрессор 62 высокого давления, камеру 64 сгорания, турбину 66 высокого давления и турбину 68 низкого давления. Воздух, поступающий в турбинный двигатель 54, разделяется на первичный поток воздуха (стрелка А), который циркулирует внутри компрессоров 58, 62 низкого и высокого давления в направлении камеры 64 сгорания, а затем проходит через турбины 66, 68 высокого и низкого давления, и на вторичный поток воздуха (стрелка В), который проходит в обход компрессора, камеры сгорания и турбины.
Промежуточный корпус 60 включает конструкционные элементы 70, проходящие радиально наружу. Один из элементов 70 промежуточного корпуса 60 содержит радиальный вал 72, внутренний конец которого соединен с ведущим валом 74 компрессора высокого давления посредством пары конических шестерен. Радиально внешний конец радиального вала 72 соединен, посредством другой пары конических шестерен, со входом редуктора 76, содержащего шестерни, приводящие в действие вспомогательное оборудование, такое как, например, масляный насос, гидравлический насос, топливный насос, стартер и электрический генератор. Различные виды оборудования, описанные выше, имеют несколько подшипников в корпусе, который следует смазывать маслом и содержать под давлением, как описано в начале данного описания. Таким образом, существует необходимость после смазки фильтровать поток воздуха и масла на выходе из таких корпусов.
Благодаря его конструктивной простоте, фильтрующее устройство 10 можно встроить в редуктор 76, приводящий в действие вспомогательное оборудование, или оно может быть сформировано как единое целое с различными корпусами турбинного двигателя, или может быть встроено вблизи ведущего вала турбинного двигателя. Такое устройство легко можно соединить с выпускным отверстием корпусов со смазкой, чтобы отфильтровывать масло от выходящего оттуда потока.