CYCLONE SEPARATOR
ЦИКЛОННЫЙ СЕПАРАТОР

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к топливной системе, содержащей циклонный сепаратор, а также к способу удаления воды или льда из топливного бака и к способу установки циклонного сепаратора в топливной системе.
Уровень техники
Вода является неизбежной загрязняющей примесью в топливе. Вода может оказывать вредное влияние на компоненты топливных систем, вызывать технологические простои и увеличивать трудоемкость технического обслуживания. Кроме того, предрасположенность к микробиологическому загрязнению прямо пропорциональна присутствию воды и температуре в топливных баках.
Вода может наносить ущерб топливным системам наземных или водных транспортных средств, однако особую проблему вода представляет для топливных систем воздушных судов. Вода может поступать в топливные баки воздушных судов из топлива, заливаемого в топливные баки воздушного судна во время заправки (растворенная вода) и из воздуха, попадающего в топливные баки воздушного судна через вентиляционную систему. Вентиляционная система, использующая воздух из окружающей среды, обычно требуется для нормализации давления в топливных баках во время набора высоты и снижения воздушного судна.
3
3
Поскольку растворимость воды в топливе уменьшается при уменьшении температуры, во время крейсерского полета воздушного судна происходит выделение воды из топлива в связи с тем, что температура топлива уменьшается. Это приводит к образованию мелких капель размером порядка нескольких микрон. Капли остаются взвешенными в топливе и образуют почти гомогенный туман или вуалеподобную взвесь в топливе. Капли воды имеют плотность (около 1000 кг/м), близкую к плотности авиационного топлива (около 800 кг/м). Размер капель воды и относительная плотность капель воды и окружающего топлива являются ключевыми параметрами, которые определяют скорость осаждения капель (закон Стокса). Скорость осаждения пропорциональна квадрату радиуса капель. Если размер капель составляет несколько микрон, осаждение капель на дно бака занимает много времени. Разность плотностей является малой, однако значимой, но в данном случае основным фактором, который определяет низкую скорость осаждения капель, является их размер. Топливо с взвешенными каплями воды подается в двигатель, где вода сгорает вместе с топливом. Однако низкая концентрация воды во взвеси означает, что скорость удаления воды из топливной системы является медленной.
3
Поскольку температура в топливном баке уменьшается во время фазы крейсерского полета воздушного судна, взвешенные капли воды могут превращаться в "снег", образующий лед. Осаждение снега на дно топливного бака происходит еще дольше, поскольку плотность льда (около 900 кг/м) еще ближе к плотности топлива, чем плотность капель воды.
Кроме того, туман или вуалеобразная взвесь в топливе имеет тенденцию к рассеиванию, когда в топливном баке устанавливается достаточный естественный конвекционный поток. Осушенное (ненасыщенное) топливо, переносимое естественным конвекционным потоком от холодных частей и поверхностей бака, вызывает повторное растворение взвешенных капель воды. Естественный конвекционный поток переносит насыщенное топливо и обеспечивает его контакт с холодными поверхностями бака, где выделение воды из топлива приводит к образованию конденсата на холодных поверхностях. Конденсат разрушает стенку топливного бака и собирается, образуя скопления на дне бака. Воду из этих скоплений можно слить, когда воздушное судно находится на земле, однако эта операция занимает много времени, является дорогостоящей и снижает эффективность эксплуатации.
US 4081373 описывает систему, в которой циклонный сепаратор и водопоглотитель соединяются в топливной системе. Топливо из топливного бака подается в циклонный сепаратор, который закручивает топливо в интенсивную вихревую спираль, и центробежная сила отделяет относительно чистое топливо от концентрата, содержащего примеси в топливе. Комбинированный циклонный сепаратор и водопоглотитель возвращают "очищенное" топливо в топливный бак, а смесь топлива и примесей подается во вспомогательный сепаратор. Вспомогательный сепаратор возвращает дополнительно "очищенное" топливо в топливный бак, а осадок, содержащий воду и твердую фазу (загрязнения), отделяется и периодически выводится. Загрязненный осадок выводится в атмосферу или в сборник. Если используется сборник, его также требуется опорожнять, когда воздушное судно находится на земле. В случае вывода в атмосферу, требуется соответствующая система вывода, которая увеличивает вес, расходы на техническое обслуживание топливной системы и т.п., а также может приводить к проблемам обледенения на выходе.
Раскрытие изобретения
Первый аспект изобретения предусматривает топливную систему, содержащую бак для жидкого топлива, двигатель и циклонный сепаратор с входом, имеющим жидкостную связь с топливным баком, первым выходом, имеющим жидкостную связь с системой питания двигателя топливом, и вторым выходом, при этом циклонный сепаратор выполнен с возможностью вывода относительно более плотного материала из первого выхода и относительно менее плотного материала из второго выхода.
Второй аспект изобретения предусматривает способ удаления воды или льда из топливного бака, при этом указанный способ состоит в том, что обеспечивают наличие жидкого топлива в топливном баке, обеспечивают разделение жидкого топлива в баке на топливо, богатое водой, и очищенное топливо при помощи циклонного сепаратора и подают топливо, богатое водой, в двигатель.
Третий аспект изобретения предусматривает способ установки циклонного сепаратора в топливной системе, содержащей бак для жидкого топлива и двигатель, при этом циклонный сепаратор имеет вход, первый выход и второй выход и выполнен с возможностью вывода относительно более плотного материала из первого выхода и относительно менее плотного материала из второго выхода, состоящий в том, что обеспечивают жидкостную связь входа с топливным баком и обеспечивают жидкостную связь первого выхода с системой питания двигателя топливом.
Циклонные сепараторы, предназначенные для отделения твердых частиц от жидкостей или для отделения (или по меньшей мере концентрирования) жидкостей с различной плотностью, известны также как гидроциклоны или гидроклоны.
В процессе работы вода или лед естественно образуются в топливе, и фракция, более плотная, чем топливо, отделяется или по меньшей мере концентрируется циклонным сепаратором для получения топливной смеси, богатой водой, которую можно подавать в двигатель для сжигания. Менее плотное очищенное топливо, выходящее из второго выхода циклонного сепаратора, предпочтительно возвращается в топливный бак. Концентрация воды в топливной смеси, богатой водой, предпочтительно на несколько порядков выше, чем концентрация топлива в баке, поэтому топливная система согласно настоящему изобретению позволяет быстрее удалять воду из топливного бака. Благодаря тому, что вода удаляется из бака вместо простого диспергирования конденсата в баке, концентрация воды в баке поддерживается на низком уровне, поэтому проблемы, связанные с конденсацией воды в баке, предотвращаются даже при низких температурах.
Что касается топливной системы воздушного судна, то самые низкие температуры в баке имеют место на этапе крейсерского полета, поэтому циклонный сепаратор предпочтительно используется во время крейсерского полета для того, чтобы удалять воду, когда возникновение конденсации является наиболее вероятным. Предпочтительно удалять воду, когда она является взвешенной в топливе. Если происходит конденсация и мелкие капли воды соединяются, образуя более крупные капли, скопления и пленки, повторное растворение воды в топливе затрудняется, даже если температура топлива повышается, что увеличивает растворимость воды в топливе. Дополнительные устройства, в частности линии откачки воды, могут потребоваться, если вода может конденсироваться и накапливаться в баке, что повышает вес и расходы. Поскольку первоначальная концентрация воды в топливе, богатом водой, гораздо выше, чем в баке, скорость удаления воды вначале может быть высокой, а затем уменьшаться по мере снижения содержания воды в топливе, которое находится в баке. Быстрое удаление воды в начале работы циклонного сепаратора минимизирует накапливание воды в баке прежде, чем будут достигнуты самые низкие температуры в баке. Циклонный сепаратор предпочтительно работает во время крейсерского полета, однако он может также работать во время любого этапа полета (руления, взлета, крейсерского полета или посадки). Так, например, воду можно откачать из сборника топливного бака во впускной трубопровод при помощи струйного насоса на раннем этапе полета (руление и взлет) и вывести с основным потоком в циклонный сепаратор.
Вход циклонного сепаратора предпочтительно соединен с трубопроводом подачи топлива, который выполнен с возможностью вовлечения смеси топлива и воды или льда из области топливного бака, в которой вода или лед имеют тенденцию накапливаться, предпочтительно - еще в виде взвеси. Когда топливо проходит по трубопроводу подачи топлива, смесь вовлекается в поток. Трубопровод подачи топлива может содержать пористую поверхность, через которую смесь оказывается вовлеченной в поток топлива. Пористая поверхность может представлять собой решетку, сетку или ряд отверстий, выполненных в стенке трубопровода подачи топлива.
Трубопровод подачи топлива предпочтительно соединен с топливным насосом или образует часть системы подачи топлива, находящейся при повышенном давлении. Насос может представлять собой струйный насос или т.п.
Система питания двигателя топливом предпочтительно выполнена с возможностью отбора топлива из топливного бака. Для уменьшения концентрация воды, подаваемой в двигатель, топливная смесь, богатая водой, перед подачей в двигатель смешивается с топливом из бака. Концентрацию воды, подаваемой в двигатель, можно регулировать таким образом, чтобы она не превышала предел, рекомендуемый изготовителем двигателя.
При низких температурах взвешенная вода может превращаться в лед, который потенциально может накапливаться в циклонном сепараторе, ухудшая, таким образом, его функционирование. Для устранения этого циклонный сепаратор может включать теплообменник. Теплообменник может содержать источник тепла, управляемый электронными или гидравлическими системами, например, для предотвращения накопления льда на внутренней поверхности циклонного сепаратора. Транспортные средства, в частности воздушное судно, имеют множество источников тепла, для которых предназначена топливная система, и которые можно использовать для этой цели. Альтернативно этому циклонный сепаратор в качестве источника тепла может включать встроенный нагревательный элемент.
Внутренняя поверхность циклонного сепаратора может включать гидрофобное покрытие или антиобледенительное покрытие для предотвращения или уменьшения прилипания воды или льда к циклонному сепаратору. Такое покрытие может представлять собой краску или другой материал покрытия.
Циклонный сепаратор может быть модифицирован для применения в существующей топливной системе в соответствии со способом третьего аспекта настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
Далее приведено описание вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлены:
фигура 1 - схематическое изображение циклонного сепаратора;
фигура 2а - схематический вид сверху циклонного сепаратора;
фигура 2b - схематическое трехмерное изображение потока в циклонном сепараторе во время работы;
фигура 3 - схематическое изображение топливной системы, содержащей циклонный сепаратор с фигуры 1;
фигура 4 - схематическое изображение части формирования потока выше по потоку от входа циклонного сепаратора в топливной системе с фигуры 3;
фигура 5 - схематическое изображение альтернативного формирования потока выше по потоку от входа циклонного сепаратора взамен показанного на фигуре 4 в топливной системе с фигуры 3;
фигура 6 - схематическое изображение части формирования потока ниже по потоку от первого выхода циклонного сепаратора в топливной системе с фигуры 3;
фигура 7 - схематическое изображение альтернативного варианта формирования потока ниже по потоку от первого выхода циклонного сепаратора взамен показанного на фигуре 6 в топливной системе с фигуры 3;
фигура 8 - блок-схема общего устройства топливной системы с фигуры 3;
фигура 9 - блок-схема общего устройства топливной системы с фигуры 3, имеющей альтернативные принципы управления относительно фигуры 8;
фигура 10 - блок-схема альтернативного общего устройства топливной системы, включающей циклонный сепаратор;
фигура 11 - блок-схема другого альтернативного общего устройства топливной системы, включающей циклонный сепаратор с принципами управления, отличными от схемы, показанной на фигуре 10;
фигура 12 - блок-схема общего устройства топливной системы, включающей два циклонных сепаратора, два топливных бака и одну систему питания двигателя, предназначенную для уменьшения концентрации воды в одном баке за счет увеличения концентрации воды в другом баке;
фигура 13 - схематическое изображение альтернативного циклонного сепаратора.
Осуществление изобретения
На фигуре 1 схематически показан циклонный сепаратор 1, имеющий вход 2, первый выход 3 и второй выход 4. Циклонный сепаратор 1 имеет цилиндрическую верхнюю часть и коническую нижнюю часть. Коническая нижняя часть включает конический корпус 5, имеющий сужающуюся вниз форму усеченного конуса, симметрично расположенную относительно центральной продольной оси. Верхний конец 6 циклонного сепаратора 1 имеет больший диаметр и расположен выше нижнего конца циклонного сепаратора 1, имеющего меньший диаметр. Вход 2 расположен вблизи верхнего конца 6, а первый выход 3 расположен вблизи нижнего конца 7. Труба 8 проходит через верхнюю часть циклонного сепаратора 1 и имеет жидкостную связь со вторым выходом 4.
На фигуре 2а схематически представлен вид сверху циклонного сепаратора 1, чтобы показать расположение входа 2 у верхнего конца 6 циклонного сепаратора 1. На фигуре 2b показан трехмерный поток в циклонном сепараторе 1 во время работы.
Жидкость, проходящая через вход 2, вводится по касательной внутрь цилиндрической верхней части и проходит вниз через коническую нижнюю часть по спиральной траектории 9 (см. фигуры 1 и 2b), которая уменьшается по конусу или сужается по мере прохождения вниз к нижней части 10 конического корпуса 5. Поток направляется по спиральной траектории 9 вследствие входа по касательной и цилиндрической/конической формы корпуса. Вращающийся (спиральный) поток создает высокие динамические нагрузки, под действием которых более плотные материалы, взвешенные в жидкости, перемещаются в наиболее удаленную от центра часть площади поперечного сечения конического корпуса 5, оставляя менее плотный материал в центральной части спирального потока. По мере уменьшения площади поперечного сечения в направлении нижней части корпуса, избыточный поток выталкивается вверх по узкой внутренней (центральной) спирали (см. фигуру 2b). Вход 11 в трубу 8 расположен таким образом, чтобы относительно менее плотный материал выходил из второго выхода 4.
Общее направление течения основного спирального потока 9 через циклонный сепаратор 1 и геометрия конического корпуса 5 заставляют относительно более плотные молекулы и частицы собираться в нижней части 10 конического корпуса 5. Благодаря этому, относительно более плотный материал выводится из первого выхода 3.
На фигуре 1 показан циклонный сепаратор 1, ориентированный вертикально, однако для специалистов в данной области техники очевидно, что циклонный сепаратор 1 может быть ориентирован не вертикально, если требования к пространственному расположению не допускают вертикальной ориентации.
Теплообменник 12 установлен вокруг цилиндрической верхней части и конической нижней части циклонного сепаратора 1 для растапливания замороженного материала, который в противном случае имеет тенденцию прилипать к внутренней поверхности циклонного сепаратора 1. Тепловая энергия поступает в теплообменник 12 от источника тепла, который может представлять собой специальный источник тепла или радиатор, предназначенный для рассеяния тепла, вырабатываемого электрическими, гидравлическими или другими тепловыделяющими системами.
Внутренняя поверхность 13 циклонного сепаратора 1 окрашена или покрыта гидрофобным или антиобледенительным составом или материалом для предотвращения или уменьшения прилипания воды или льда к внутренней поверхности 13, поскольку они быстрее перемещаются к первому выходу 3.
Во время работы циклонный сепаратор используется в топливной системе для отделения или по меньшей мере концентрирования взвешенной воды, льда и твердых частиц, содержащихся в топливе. Поток топлива с высоким объемным расходом подается на вход 2 циклонного сепаратора 1. Этот поток на входе 2 направлен перпендикулярно центральной оси конического корпуса 5. Центробежная сила заставляет лед, воду и твердые частицы, имеющие более высокую плотность, перемещаться к наружной периферийной области внутренней части конического корпуса 5 и к внутренней поверхности 13 конического корпуса 5 по мере движения потока по спиральной траектории 9. Очищенное топливо, имеющее меньшую плотность, проходит в центральную область внутренней части конического корпуса 5 и во вход 11 трубы 8. Труба 8 пропускает очищенное топливо ко второму выходу 4.
Основным фактором, который определяет прохождение потока через циклонный сепаратор 1, является высокий объемный расход потока на входе 2. Первый выход 3 может соединяться с областью, имеющей относительно низкое статическое давление, которое создает некоторый эффект протягивания потока через циклонный сепаратор. Однако этот эффект является вторичным. Выпуск из второго выхода 4 осуществляется под действием потока в циклонном сепараторе 1. Диаметр первого выхода 3 и второго выхода 4 имеют такие размеры, чтобы обеспечить требуемые рабочие параметры циклонного сепаратора 1. Диаметр второго выхода 4 может быть больше, меньше или равен диаметру первого выхода 3. Второй выход 4 может быть соединен с всасывающим устройством или системой для того, чтобы оптимизировать характеристики выходного потока.
Циклонный сепаратор 1 имеет две линии защиты, чтобы предотвращать прилипание льда к внутренней поверхности 13 циклонного сепаратора 1. Первичная защита представляет собой гидрофобное и/или антиобледенительное покрытие на внутренней поверхности 13. Покрытие наносится на все внутренние поверхности циклонного сепаратора 1. Вторичной защитой является нагревание внутренних поверхностей 13 теплообменниками 12. Подводимая теплота оптимизируется таким образом, чтобы расплавить в точке контакта все частицы льда на внутренних поверхностях 13 циклонного сепаратора 1 и обеспечить срезание частиц льда спиральным потоком 9. При этом следует отметить, что расплавление взвешенных частиц льда в спиральном потоке 9 не предполагается. Гидрофобное покрытие на внутренних поверхностях 13 циклонного сепаратора 1 предотвращает или препятствует прилипанию воды в спиральном потоке 9 к внутренним поверхностям 13. Смесь воды, топлива и твердых частиц, а также остатки льда проходят через первый выход 3 циклонного сепаратора 1.
На фигуре 3 показан циклонный сепаратор 1, установленный в топливной системе. Топливная система включает циклонный сепаратор 1, топливный бак 20, имеющий днище 21, и двигатель (не показанный на фигуре 3), который потребляет топливо. Поток 52 подается на вход 2 циклонного сепаратора струйной насосной системой 30 удаления воды. Второй выход 4 циклонного сепаратора 1 возвращает поток 71 очищенного топлива в оптимальную область (обычно - в верхнюю область) топливного бака 20. Поток 61 топлива, богатого водой, выходящий из первого выхода 3 циклонного сепаратора 1, подается в двигатель системой 80 питания двигателя.
Ниже приведено более подробное описание струйной насосной системы 30 удаления воды. Струйная насосная система 30 удаления воды включает трубопровод 34 основного потока, содержащий насос 31, трубопровод 32 индуцированного потока, струйный насос 35 и трубопровод 36 смешанного потока. Насос 31 выкачивает поток 40 из бака 20 и подает поток 41 под давлением по трубопроводу 34 основного потока в струйный насос 35. Трубопровод 32 индуцированного потока подает поток 42 из сборника 22 топливного бака 20 в струйный насос 35. Струйный насос 35 смешивает потоки из трубопровода 34 основного потока и трубопровода 32 индуцированного потока и направляет смешанный поток 50 в трубопровод 36 смешанного потока.
Сборник 22 топливного бака является составной частью бака 20. Он расположен в самой низкой точке бака. Вся свободная вода в баке с течением времени стекает вниз в виде потока 24 воды и собирается в сборнике 22. Трубопровод 32 индуцированного потока имеет колоколообразный вход 33, расположенный вблизи сборника 22.
В начале работы струйной насосной системы 30 удаления воды в сборнике 22 может накопиться определенный объем воды 22. Основной поток 41 вызывает появление потока 42 в трубопроводе 32 индуцированного потока. Вся свободная вода в сборнике 22 увлекается потоком 43, который поступает в колоколообразный вход 33 из бака 20. Струйный насос 35 распыляет воду в мелкие капли в потоке 50. Смешанный поток 50 подается на вход 2 циклонного сепаратора в результате формирования потока, описанного далее более подробно со ссылкой на фигуру 4. Когда вся свободная вода из сборника 22 будет использована, трубопровод 32 индуцированного потока будет подавать топливо из бака, поскольку сборник является составной частью бака.
На фигуре 4 схематично показана часть формирования потока непосредственно перед входом 2 циклонного сепаратора 1 в топливной системе с фигуры 3. Трубопровод 36 смешанного потока направляет смешанный поток 50 с высоким объемным расходом. На входе 2 циклонного сепаратора установлен трубопровод 14, имеющий колоколообразный вход 15, который отделен от выхода 37 трубопровода 36 смешанного потока. Поток 50 из трубопровода 36 смешанного потока, проходя между выходом 37 трубопровода 36 смешанного потока и входом трубопровода 14, вовлекает поток 51 топлива и взвешенную в нем воду из топливного бака 20.
Трубопроводы 36 и 14 расположены предпочтительно вблизи днища бака 20 главным образом потому, что система 80 питания двигателя установлена на днище бака. Кроме того, поскольку циклонный сепаратор 1 выполнен с возможностью возвращения потока 4 очищенного топлива в верхнюю область бака, циклонный сепаратор 1 во время работы создает градиент концентрации взвешенной воды, при этом более высокая концентрация оказывается вблизи днища бака. Поэтому в случае расположения трубопроводов 36 и 14 вблизи днища бака топливо, имеющее более высокую концентрацию воды в суспензии, вовлекается потоком 52 в трубопровод 14, таким образом, этот градиент является полезным для системы, которая может работать при оптимальных условиях. Однако для специалистов в данной области техники очевидно, что трубопроводы 36, 14 не обязательно устанавливать около днища бака.
Поток 52, содержащий топливо, воду и лед или иные твердые частицы, подается под давлением струйного насоса 35 из трубопровода 36 на вход 2 циклонного сепаратора 1.
На фигуре 5 схематически показан второй, альтернативный вариант формирования потока непосредственно перед входом 2 циклонного сепаратора 1, который может заменить вариант формирования потока, показанный на фигуре 4. Во втором, альтернативном варианте формирования потока трубопроводы 36 и 14 соединяются пористым трубопроводом 136 для прохождения смешанного потока 50 топлива с высоким объемным расходом, который может содержать также взвешенную воду, лед или другие твердые частицы, из струйной насосной системы 30 удаления воды. Когда поток 50 проходит по пористому трубопроводу 136, он увлекает поток 51 топлива и воду, взвешенную в нем, из бака 20. Пористый трубопровод имеет пористую стенку, которая может содержать ряд отверстий или может представлять собой сетку или т.п. Результирующий поток 52 поступает на вход 2 циклонного сепаратора 1. Пористый трубопровод 136 предпочтительно расположен вблизи днища топливного бака 20 по тем же самым причинам, которые указаны для варианта формирования потока на фигуре 4.
Возвращаясь к фигуре 3, через первый выход 3 циклонного сепаратора 1 выходит поток 61 топлива, богатого водой, содержащий воду, топливо, твердые частицы и оставшийся лед. Поскольку циклонный сепаратор 1 имеет тенденцию выводить твердые частицы из первого выхода 3, а не из второго выхода 4, может потребоваться установка соответствующего фильтрующего средства ниже первого выхода 3 циклонного сепаратора 1. Такой фильтр может требовать периодической очистки или замены. Циклонный сепаратор 1 предотвращает рециркуляцию твердых частиц через топливный бак 20, в то время как фильтр предотвращает попадание таких твердых частиц в двигатель.
Очищенное топливо, выходящее из циклонного сепаратора 1 через второй выход 4, возвращается в топливный бак, предпочтительно - в верхнюю область топливного бака. Таким образом, топливо, направляемое обратно в бак, имеет гораздо более низкую концентрацию воды, льда или твердых частиц, чем топливо, поступающее на вход 2 циклонного сепаратора 1 из топливного бака.
Ниже приведено более подробное описание системы 80 питания двигателя. Система 80 питания двигателя включает трубопровод 81 питания двигателя и питающий насос 82 двигателя. Трубопровод 81 питания двигателя имеет колоколообразный вход 83, который расположен вблизи днища 21 бака. В отверстии на входе 83 установлена сетка (не показана) для того, чтобы отфильтровывать крупные твердые частицы, входящие в трубопровод 81 питания двигателя. Дополнительное фильтрующее средство может быть установлено на каком-либо другом участке системы 80 питания двигателя для того, чтобы отфильтровывать более мелкие твердые частицы. Питающий насос 82 двигателя направляет поток 64 топлива в двигатель топливной системы. Во время работы питающего насоса 82 двигателя поток 62 топлива поступает из бака в трубопровод 81 питания двигателя через вход 83. Вход 83 расположен вблизи днища бака для того, чтобы минимизировать неиспользуемое топливо в баке. Концентрация взвешенной воды будет иметь тенденцию к повышению, благодаря потоку 61 из первого выхода 3 циклонного сепаратора 1. Во время работы, поток 61 топлива, богатого водой, выходящий из первого выхода 3 циклонного сепаратора 1, вовлекается в поток в трубопроводе 81 питания двигателя, показанный линией потока 63.
На фигуре 6 схематически показана часть формирования потока непосредственно после первого выхода 3 циклонного сепаратора 1 топливной системы с фигуры 3. Поток 61 топлива, богатого водой, поступающий с первого выхода 3 циклонного сепаратора 1, проходит в выпускной трубопровод 84. Выпускной трубопровод 84 имеет выход 85, расположенный вблизи днища 21 бака и вблизи входа 83 трубопровода 81 питания двигателя. Во время работы питающего насоса 82 двигателя поток 61 топлива, богатого водой, вовлекается в поток 62 топлива, поступающий на вход 83 трубопровода 81 питания двигателя.
Важно, чтобы концентрация воды в трубопроводе 81 питания двигателя регулировалась таким образом, чтобы она не превышала предела, рекомендованного изготовителем двигателя. Концентрацию воды в потоке 63, проходящем по трубопроводу 81 питания двигателя, можно регулировать при помощи соответствующего клапана или другого устройства управления подачей топлива. Во время работы двигатель потребляет воду, содержащуюся в поступающем топливе, таким образом, вода удаляется из топливного бака 20.
На фигуре 7 схематически показан второй, альтернативный вариант формирования потока в системе питания двигателя ниже по потоку от первого выхода 3 циклонного сепаратора 1. Система 180 питания двигателя идентична системе 80 питания двигателя за исключением того, что поток 61 топлива, богатого водой, выходящий из первого выхода 3 циклонного сепаратора 1, поступает непосредственно в трубопровод питания двигателя. Поток 61 топлива, богатого водой, проходит по выпускному трубопроводу 184, который имеет жидкостную связь с трубопроводом 181 питания двигателя между его колоколообразным входом 183 и питающим насосом двигателя (не показан на фигуре 7). Во время работы питающего насоса двигателя поток 62 топлива с днища 21 бака через вход 183 подается в трубопровод 181 питания двигателя. Поток 61 вовлекается в поток 62 в трубопроводе 181 питания двигателя, образуя поток 63, который далее перекачивается питающим насосом двигателя в двигатель. Двигатель потребляет топливо и воду, содержащиеся в потоке 63. Концентрацию воды в топливе потока 63 можно регулировать при помощи соответствующего клапана или другого устройства управления подачей топлива аналогично тому, как это производится в варианте формирования потока, показанном на фигуре 6.
На фигуре 8 представлена блок-схема общего устройства топливной системы, показанной на фигуре 3. Траектории потоков и компоненты потоков показаны сплошными линиями, а звенья управления и компоненты управления - прерывистыми линиями. Траектории потоков и компоненты потоков описаны выше применительно к фигуре 3. Топливная система включает также датчик 86 в трубопроводе 81 (или 181) питания двигателя для определения концентрации взвешенной воды в потоке 63, поступающем в двигатель 88 по трубопроводу 81 питания двигателя. Сигнал от датчика 86 обрабатывается в управляющем устройстве 87 для управления насосом 31, который подает основной поток 41 в струйный насос 35.
Осуществляя управление насосом 31, можно изменять основной поток 41 и окончательно смешанный поток 50. Поток, подаваемый в циклонный сепаратор 1, оказывает двойственное влияние на рабочие параметры циклонного сепаратора 1. При низкой скорости потока на входе 2 он генерирует низкую (угловую) скорость вращения и тем самым создает низкую динамическую нагрузку (центробежную силу), которая является малоэффективной для отделения плотных материалов в циклонном сепараторе 1. Кроме того, при низкой скорости течения поток, проходящий через циклонный сепаратор 1, уменьшается, при этом уменьшаются также потоки, как из первого выхода 3, так и из второго выхода 4 циклонного сепаратора 1. Таким образом, можно регулировать концентрацию взвешенной воды в потоке 63, подаваемом в двигатель 88.
Кроме того, управление насосом 31 регулирует состав смеси индуцированного потока 42 и основного потока 41, подаваемой в струйный насос 35, что можно использовать для изменения концентрации воды в смешанном потоке 50, подаваемом в циклонный сепаратор 1. Во время начального этапа полета трубопровод 32 индуцированного потока втягивает воду из сборника 22, поэтому управление насосом 31 обеспечивает основное регулирование концентрации воды в смешанном потоке 50. Когда вода в сборнике 22 израсходуется и трубопровод 32 индуцированного потока будет втягивать поток топлива из бака 20, концентрация воды в смешанном потоке 50 не будет изменяться при изменении основного потока 41, поскольку концентрация воды в основном потоке будет такой же, как в индуцированном потоке 42.
На фигуре 9 представлена блок-схема общего устройства топливной системы, показанной на фигуре 3, которая имеет принципы управления, альтернативные системе, показанной на фигуре 8. Траектории потоков и компоненты потоков показаны сплошными линиями, а звенья управления и компоненты управления - прерывистыми линиями. Единственное отличие между топливными системами, показанными на фигуре 8 и на фигуре 9, заключается в том, что топливная система на фигуре 9 дополнительно содержит клапан 72, расположенный ниже по потоку от второго выхода 4 циклонного сепаратора 1, для того, чтобы отводить часть потока 71 в насос 31 по трубопроводу 73 для очищенного потока. Управляющее устройство 87 на основании сигнала датчика 86 обеспечивает управление клапаном 72 таким образом, чтобы отводить соответствующее количество очищенного топлива из потока 71 к насосу 31 для вовлечения в основной поток 74, который подается в струйный насос 35. Струйный насос 35 подает смешанный поток 75 на вход 2 циклонного сепаратора 1.
В этом случае управляющее устройство 87 не влияет на скорость потока, подаваемого на вход 2 циклонного сепаратора 1. Поэтому управляющее устройство 87 не изменяет рабочие параметры (т.е. пропускную способность и динамическую нагрузку) циклонного сепаратора 1. Путем регулирования потока 73 очищенного топлива, подаваемого в насос 31, можно изменять концентрацию воды в основном потоке 74 и в окончательно смешанном потоке 75. Более высокая скорость потока очищенного топлива, подаваемого в насос 31, уменьшает концентрацию взвешенной воды в смешанном потоке 75 и наоборот. Таким образом, можно регулировать концентрацию взвешенной воды в потоке 63, подаваемом в двигатель 88.
На фигуре 10 показана блок-схема альтернативного общего устройства топливной системы, содержащей циклонный сепаратор 1. Одинаковые элементы на фигурах 8 и 10 обозначены одинаковыми номерами.
Топливная система, показанная на фигуре 10, отличается от системы, показанной на фигуре 8, тем, что струйный насос 35 и сборник 22 отсутствуют, а насос 31 выполнен с возможностью перекачивания потока 45 топлива с высоким объемным расходом (включая взвешенную в нем воду) из бака 20 к входу 2 циклонного сепаратора 1. Поток 45, выходящий из насоса 31, вовлекает поток 51 топлива (включая взвешенную в нем воду) из бака 20, образуя смешанный поток 46. Поток 46 называется смешанным потоком, поскольку поток 45 и поток 51 могут содержать разные концентрации взвешенной воды, если они образуются в различных частях бака 20. Смешанный поток 46 подается на вход 2 циклонного сепаратора 1.
Управляя насосом 31, можно изменять поток 46, подаваемый в циклонный сепаратор 1, что позволяет регулировать рабочие параметры (т.е. пропускную способность и динамическую нагрузку) циклонного сепаратора 1, как описано выше со ссылкой на фигуру 8. Таким образом, можно регулировать концентрацию взвешенной воды в потоке 63, подаваемом в двигатель 88.
На фигуре 11 представлена блок-схема альтернативного общего устройства топливной системы, содержащей циклонный сепаратор 1. Одинаковые элементы на фигурах 9 и 11 обозначены одинаковыми номерами.
Топливная система, показанная на фигуре 11, отличается от показанной на фигуре 9 тем, что струйный насос 35 и сборник 22 отсутствуют, а насос 31 выполнен с возможностью перекачивания потока 76 топлива с высоким объемным расходом (включая взвешенную в нем воду) из бака 20 к входу 2 циклонного сепаратора 1. Поток 76, выходящий из насоса 31, вовлекает поток 51 топлива (включая взвешенную в нем воду) из бака 20, образуя смешанный поток 77. Смешанный поток 77 подается на вход 2 циклонного сепаратора 1.
Управляя потоком 73 очищенного топлива, подаваемым в насос 31, можно изменять концентрацию воды в смешанном потоке 77, поступающем на вход 2 циклонного сепаратора 1. Управляющее устройство 87 не оказывает влияния на рабочие параметры (т.е. на пропускную способность и динамическую нагрузку) циклонного сепаратора 1. Таким образом, концентрацию взвешенной воды в потоке 63, подаваемом в двигатель 88, можно регулировать аналогично тому, как это описано выше со ссылкой на фигуру 9.
Существующую топливную систему, содержащую топливный бак, двигатель, питающий насос двигателя и трубопровод питания двигателя, можно модифицировать для того, чтобы использовать настоящее изобретение, как указано ниже. Необходимо, чтобы один или более циклонных сепараторов имели жидкостную связь между топливным баком и трубопроводом питания двигателя, при этом первый выход обеспечивает вывод потока, поступающего в трубопровод питания двигателя, а второй выход обеспечивает вывод потока, возвращаемого в топливный бак.
Топливная система воздушного судна может состоять из нескольких баков, соединенных сетью труб, и содержать одну или более систем питания двигателей. Система питания двигателей может быть предназначена для снабжения энергией одного или более двигателей с целью приведения их в действие и/или для оборудования/систем воздушного судна. Термин "двигатель" относится к любому устройству, которое потребляет топливо, т.е. к двигателю внутреннего сгорания, к газовой турбине, к топливной ячейке и т.п.
Для системы питания каждого двигателя используется по меньшей мере один циклонный сепаратор. В некоторых случаях используется больше циклонных сепараторов, чтобы удовлетворить потребность системы питания двигателя в топливе. Как правило, они устанавливаются параллельно. Однако альтернативно этому циклонные сепараторы могут быть установлены каскадно (последовательно) для того, чтобы повысить эффективность сепарации, при этом первый выход циклонного сепаратора, установленного выше по направлению потока, соединяется с входом циклонного сепаратора, установленного ниже по направлению потока.
Кроме того, циклонные сепараторы можно использовать для уменьшения концентрации воды в одном баке за счет увеличения концентрации воды в другом баке. Такую стратегию можно применять для сбора воды в ограниченном количестве баков (например, в одном или в двух), к которым доступ для слива воды через дренажные клапаны в сборник является более удобным, чем к другим бакам.
На фигуре 12 показана блок-схема общего устройства такой топливной системы, содержащей два бака и одну систему питания двигателя. Топливная система включает, по существу, первую и вторую топливные системы, аналогичные топливной системе, показанной на фигуре 8. Аналогичные детали первой топливной системы и топливной системы с фигуры 8 обозначены одинаковыми ссылочными номерами со штрихом ('), а аналогичные детали второй топливной системы и топливной системы с фигуры 8 обозначены одинаковыми ссылочными номерами с двойным штрихом ("). Траектории потоков и компоненты потоков показаны сплошными линиями, а звенья управления и компоненты управления - прерывистыми линиями.
Топливная система, показанная на фигуре 12, выполнена таким образом, что она предпочтительно обеспечивает уменьшение концентрации взвешенной воды в первом топливном баке 20'. Вход трубопровода питания двигателя в первом топливном баке 20' отсутствует. Вход трубопровода питания двигателя во втором топливном баке 20" вовлекает не только потоки 61' и 62" (как в системе, показанной на фигуре 8), но также и выходной поток 61' из первого выхода (поток с большей плотностью) первого циклонного сепаратора Г и второй поток 162 из второго топливного бака 20". При этом данный вход трубопровода питания двигателя не вовлекает поток из первого топливного бака 20'. Выходной поток 71" из второго выхода (поток очищенного топлива с меньшей плотностью) второго циклонного сепаратора 1" поступает в первый топливный бак 20'.
Топливо из бака, которое подается в циклонный сепаратор, может включать взвешенные капли воды. Кроме того, топливо, поступающее из бака, перед подачей в циклонный сепаратор может быть смешано с водой, которая скапливается на днище бака и диспергируется в топливе струйным насосом или т.п. Существующая топливная система может содержать систему удаления воды струйным насосом, или такая система может быть установлена одновременно с установкой циклонного сепаратора. Топливная система может быть выполнена, например, как показано на фигурах 8, 9 или 12. Альтернативно этому, топливная система может не иметь системы удаления воды струйным насосом, поскольку циклонный сепаратор установлен в топливной системе с повышенным давлением, как, например, показано на фигурах 10 и 11. В любом случае топливо подается из бака на вход циклонного сепаратора.
Топливо, богатое водой, поступающее из первого выхода циклонного сепаратора, проходит в направлении трубопровода питания двигателя для захвата питающим насосом двигателя и подачи в двигатель. Жидкостная связь с первым выходом циклонного сепаратора может быть установлена, например, как показано на фигуре 3 (деталь на фигуре 6) или как показано на фигуре 7.
В топливной системе установлена система управления потоком, подаваемым на вход циклонного сепаратора. Система управления может быть выполнена, например, как показано на одной из фигур 8-11. Система управления в этих топливных системах включает датчик, установленный в трубопроводе питания двигателя, и управляющее устройство, которое регулирует поток топлива выше по потоку от входа в циклонный сепаратор в зависимости от выходного сигнала датчика.
Второй выход циклонного сепаратора соединяется таким образом, чтобы подавать очищенное топливо в бак (как показано в системах на фигурах 8-11) и, возможно, также в струйный насос или в топливную систему, находящуюся при повышенном давлении, выше по потоку от входа циклонного сепаратора (как показано на фигурах 9 и 11).
Следует понимать, что другие варианты формирования потоков также могут быть использованы. При этом важно, чтобы поток топлива с высоким объемным расходом, имеющий большую концентрацию воды, выходил из топливного бака под действием системы, находящейся при повышенном давлении, или струйного насоса или т.п. и подавался на вход циклонного сепаратора.
На фигуре 13 показан альтернативный циклонный сепаратор 101, предназначенный для применения в топливной системе согласно настоящему изобретению. Элементы циклонного сепаратора 101, которые соответствуют элементам циклонного сепаратора 1, на фигуре 13 обозначены такими же ссылочными номерами с увеличением на 100. Циклонный сепаратор 101 отличается от циклонного сепаратора 1 только тем, что перфорированная пористая внутренняя стенка 116 расположена внутри корпуса 105 с образованием полости 117. Полость 117 расположена между внутренней стенкой корпуса 105 и внутренней частью объема циклонного сепаратора 101. Полость 117 имеет жидкостной вход 118. Во время работы очищенное топливо отбирается из потока, поступающего из второго выхода 104, и под давлением закачивается в полость 117 через вход 118. Для отбора очищенного топлива из потока, поступающего из второго выхода 104, может быть использовано соответствующее клапанное устройство, а соответствующий насос может быть предусмотрен для закачивания отобранного топлива во вход 118. Для нагревания очищенного топлива в полости 117 может быть установлен теплообменник 112. Под давлением насоса очищенное топливо, находящееся в полости 117, проходит через перфорированную внутреннюю стенку 116, образуя слой нагретого очищенного топлива на внутренней стороне стенки 116 для того, чтобы предотвращать прилипание воды/льда из спирального потока 109 к стенке 116. Это исключает необходимость применения гидрофобного или антиобледенительного покрытия внутри циклонного сепаратора 101. Остальные элементы и функции циклонного сепаратора 101 идентичны элементам и функциям циклонного сепаратора 1.
Поскольку циклонный сепаратор имеет тенденцию к выводу твердых частиц из первого выхода, а не из второго выхода, в системе питания двигателя может быть предусмотрено соответствующее фильтрующее средство, как описано выше. Кроме того, соответствующее фильтрующее средство может быть предусмотрено перед циклонным сепаратором для того, чтобы отфильтровывать большие твердые частицы перед тем, как поток войдет в циклонный сепаратор. Такие фильтры могут требовать периодической очистки или замены. Циклонный сепаратор предотвращает рециркуляцию оставшихся твердых частиц в топливном баке, поскольку твердые частицы, выходящие из первого выхода, а не из второго выхода, будут задерживаться фильтрами системы питания двигателя.
Топливная система, включающая топливный бак, циклонный сепаратор, двигатель и различные питающие трубопроводы, может представлять собой топливную систему воздушного судна. Однако такая топливная система может быть установлена, по существу, на любом наземном или водном транспортном средстве, например на морском судне или на грузовом автомобиле.
В случае топливной системы воздушного судна теплообменник циклонного сепаратора может получать тепловую энергию от источника тепла, имеющегося на борту воздушного судна, в частности от электрических или гидравлических систем, которые генерируют отходящее тепло.
Изобретение описано выше со ссылками на один или более предпочтительных вариантов осуществления, однако следует понимать, что различные изменения или модификации могут быть внесены без отклонения от объема изобретения, который определяется прилагаемой формулой изобретения.