<Desc/Clms Page number 1>
Séparateur à écoulement axial.
<Desc/Clms Page number 2>
La présente invention concerne les séparateurs à écoulement axial, qui servent à retirer d'un courant fluide des matières étrangères; elle concerne plus particulièrement des séparateurs à écoulement axial, qui comportent un dis- positif perfectionné pour recueillir et éliminer plue efficace- ment les matières étrangères. La présente invention convient particulièrement pour les installations à bord des avions, quand on désire éliminer d'un écoulement d'air, alimentant un moteur à turbine à gaz, les matières étrangères telles que le sable, la poussière, et l'eau.
Les moteurs à turbine à gaz des avions risquent particulièrement d'être détériorés par des objets étrangers introduits dans les bouches d'entrée d'air. Ce problème était déjà très grave dans le passé, en ce qui concerne certains objets étrangers relativement volumineux, tels que les pierres, le gravier, les oiseaux, la grêle, etc., qui pouvaient pro- voquer des détériorations instantanées et très graves quand ils s'introduisaient dans un moteur.
Depuis qu'on utilise les hélicoptères mus par des turbines à gaz et des avions à décollage et atterrisage verticaux, les particules étrangères plus petites, telles que les particules de sable, de poussière et d'eau, sont devenues de plus en plus gênantes en raison principalement des conditions d'utilisation de ces hélicoptères et de ces avions à atterrisage et décollage verticaux. Du fait qu'un avion peut décoller et atterrir verticalement, il peut être utilisé dans des régions où il n'existe pas d'aérodromes ordinaires, comme par exemple dans des zones de combat et
<Desc/Clms Page number 3>
dans d'autres zones isolées.
Les hélicoptères et les avions à décollage et atterrissage verticaux conviennent aussi plus spécialement au vol à basse altitude, au-dessus de la terre et de la mer ; ils sont aussi particulièrement utiles pour certaines missions à basse altitude, par exemple pour les missions.d'ac- compagnement du combat rapprochée pour les missions de recherche et de sauvetage et aussi pour les opérations contre les sous- marins.. Dans ces conditions, des quantités importantes de petites matières étrangères, comme par exemple des particules de sable, de poussière, et des gouttes d'eau, peuvent être entraînées dans l'écoulement d'air alimentant le moteur à turbine à gaz.
Ces particules, qui n'exercent individuellement qu'un effet réduit sur le moteur, peuvent par contre pro- voquer des détériorations graves quand elles sont introduites en grandes quantités dans le'moteur. On a constaté par exemple que le moteur d'un hélicoptère, volant à basse altitude dans un désert, pouvait perdre rapidement ses performances par suite de l'érosion produite sur ses ailettes par des parti- cules à grande vitesse. Les matières étrangères, et en particu- lier l'eau salée, qui sont introduites de cette manière dans, le moteur, peuvent provoquer, en plus de l'érosion une cor- rosion rapide et destructrice.
Il est par conséquent désirable de réaliser un dispositif pour séparer et éliminer les particules de sable, de poussière, d'eau et les particules analogues, avant que l'écoulement d'air alimente le moteur. Pour qu'un séparateur de telles particules étrangères soit satisfaisant, il est essentiel qu'il élimine effectivement du courant d'air les particules indésirables. Une grande efficacité du séparateur est particulièrement désirable dans un avion, en raison des énormes quantités d'air consommées par un moteur d'avion à ,
<Desc/Clms Page number 4>
turbine à gaz. Cependant, une grande efficacité de séparation n'est pas la seule caractéristique exigée d'un séparateur ' utilisé avec un moteur d'avion à turbine à gaz.
Puisque le séparateur constitue une partie intime de l'installation motrice totale d'un avion, il ne doit pas nuire au rendement global de cette installation; en d'autres termes, les pertes de pression dans l'écoulement d'air traversant le séparateur doivant être aussi réduites que possible. De plus, le sépara- teur doit être compact et léger. puisque les avions en général, et en particulier les avions à décollage et atterrissage ver- ticaux, sont soumis à des conditions sévères de limitation du poids. Enfin, le séparateur doit posséder les caractéris- tiques mentionnées ci-dessus, sans être trop compliqué, ni trop coûteux au point de vue de la fabrication et de l'entre- tien.
Le but de la présente invention est de réaliser un séparateur perfectionné pour retirer efficacement d'un courant fluide les matières étrangères.
, Dans un mode de réalisation particulier de l'inventicn, le séparateur, traversé par un canal axial, comporte près de son entrée, un dispositif pour donner au courant fluide un mouvement tourbillonnaire, et un dispositif de recueil en aval dudit dispositif produisant le mouvement tourbillonnaire; le dispositif de recueil est formé par des parois extérieures; ces parois comprennent une première paroi annulaire, qui di- verge dans la direction axiale vers l'aval à partir du disposi- tif de production de tourbillon, et une seconde paroi annu- laire montée dans une position coaxiale par rapport à la pre- mière paroi.
L'extrémité amont de la seconde paroi est placée en aval de l'extrémité amont de la première paroi; son diamètre est sensiblement plus petit\que celui de la partie correspondante
<Desc/Clms Page number 5>
de la première paroi située dans un même plan transversal de telle sorte qu'une fente annulaire d'extraction, s'étendant sur une distance radiale assez grande, est définie entre la première et la seconde parois.
Par suite du mouvement tourbillonnaire communiqué au courant fluide, les particules de matières étrangères sont refoulées vers , l'extérieur et pénètrent, dansla fente d'extraction. ' Si on désire supprimer la totalité ou une partie du mouvement , 1 , tourbillonnaire du courant d'aire après l'élimination des matières étrangères, on installe à cet effet un dispositif approprié en aval du dispositif de recueil.
En considérant un autre aspect de l'invention, on peut indiquer que la première paroi peut comporter un contour caractéristique tel qu'elle constitue une paroi de focalisa- tion, qui dirige dans la fente annulaire d'extraction les matières extérieures venant la frapper. Dans un but analogue, la première paroi peut être constituée par une matière absor- bant l'énergie cinétique, de manière à amortir le rebondisse- mentjdes particules venant frapper cette paroi. Conformément à l'invention, les dispositifs de production et de suppression du mouvement tourbillonnaire peuvent être réglables de manière à réaliser un fonctionnement efficace dans une marge étendue de conditions, y compris les conditions dans lesquelles une séparation des matières étrangères n'est pas nécessaire.
Sur le dessin annexé:
La figure 1 est une coupe d'un moteur à turbine à gaz du type à arbre de turbine de puissance; ce moteur est équipé d'un séparateur conforme à la présente invention; . La figure 2 représente en perspective, avec une coupe partielle, le séparateur déjà représenté sur la figure 1;
<Desc/Clms Page number 6>
La figure 3 est une coupe d'un séparateur conforme à l'invention, dans lequel l'une des parois possède un contour lui donnant le caractère d'une paroi de focalisation;
La figure 4 est une vue analogue à la figure 3, mais représente une paroi de focalsation ayant la forme d'un para- boloide de rsvolution;
La figure 5 est analogue à la figure 4, mais repré- eente une paroi dont le contour est celui d'un parabololde de révolution modifié ;
La figure 6, qui est analogue à la figurer, représente un séparateur, dans lequel l'une des parois est constituée par une matière absorbant l'énergie cinétique;
La figure 7 qui est analogue aux figures 3 et 4, représente un séparateur comportant des ailettes réglables pour produire et supprimer le mouvement tourbillonnaire.
Si on se refère à la figure 1, on y voit une instal- lation motrice à turbine à gaz 10. Cette installation comprend un moteur à turbine à gaz 11, du type à arbre de turbine de puissance et un séparateur 12 à écoulement axial conforme à l'invention. Ce moteur 11 comprend successivement dans la direction axiale'un compresseur 13, une chambre annulaire de combustion 14, une turbine génératrice de gaz 15 pour entraîner le compresseur 13, et une turbine de puissance 16 pour entraîner un arbre de sortie 17.
Le moteur 11 à arbre de turbine de puissance convient particulièrement bien aux hélicoptères, dont le rotor (non représenté) est entraîné à partir de l'arbre de sortie 17 par l'intermédiaire d'un réducteur de vitesse approprié 17'' A mesura que la présente description se développera, il deviendra cependant évident, pour les techniciens, que le séparateur peut être utilisé aussi
<Desc/Clms Page number 7>
bien avec des turboréacteurs et des turbopropulseurs qu'avec des moteurs à arbre de turbine de puissance, puisque le sépa- rateur est essentiellement étudié pour tous les types de moteurs à turbine.
Comme oà le voit sur lesfigures 1 et 2, le sépara- teur 12 est un élément statique ne comportant aucune pièce mobile. Ce séparateur comporte un carter extérieur 20 et un capotage intérieur 21 ; un canal axial et annulaire 22 est défini entre le carter 20 et le capotage 21; ce canal 22 com- porte, à ses extrémités opposées, une entrée annulaire 23 et une sortie annulaire 24, cette dernière communiquant avec les ailettes de guidage 18 de l'entrée du compresseur. Une rangée d'ailettes d'orientation 25 radiales et espacées sur une circonférence, est disposée près de l'entrée 23; ces ailettes 25 ont une configuration désirée, qui modifie la direction du courant d'air, comme on l'expliquera maintenant.
Une autre rangée d'ailettes 26, radiales et espacées sur une circonférence, est disposée près de la sortie 24; ces ailettes possèdent aussi une configuration désirée. Entre les ailettes 25 et les ailettes 26 se trouve un dispositif de recueil, qui comprend une première paroi,27 et une seconde paroi 28.
Dans le mode de réalisation représenté, la seconde paroi 28 fait partie du carter extérieur 20. La première paroi 27, qui est constituée par un élément tronconique, coaxial par rapport à l'axe du séparateur, diverge vers l'aval à partir des ailet- tes 25. La seconde paroi 28, qui est un élément cylindrique monté dans une position coaxiale par rapport à la première paroi 27 et à l'axe du séparateur, a son extrémité amont 28', située en aval de l'extrémité amont 27' de la première paroi 27.
L'extrémité amont 28' de la seconde paroi 28 possède uni diamètre sensiblement plus petit que celui de la partie de '1.
<Desc/Clms Page number 8>
première paroi 27 située dans le même plan transversal; il en résulte qu'une fente annulaire d'extraction 29, s'étendant sur une distance radiale assez grande, est définie entre les deux parois 27 et 28. ' Pendant le fonctionnement du moteur 11 à arbre de turbine de puissance, la zone de basse pression, existant à l'entrée du compresseur 13, provoque un écoulement d'air à grande vitesse à travers le canal annulaire 22.
Quand l'air passe sur les ailettes stationnaires d'orientation 25, il subit un changement de direction, de telle sorte que l'écoulement d'air, en aval dos ailettes 25 possède une vi- tesse axiale et une vitesse inclinée par rapport à l'axe. On dit que les ailettes ont donné un mouvement tourbillonnaire au courartfluide. Les petites particules de matières étran.. gères, entraînées dans le courant d'air, subissent aussi un changement de direction, principalement du fait que les par- ticules de faible masse sont entraînées par le tourbillon de l'air. Pour être sûr que les particules d'une masse plus grande subissent aussi un changement de direction sous l'action des ailettes d'orientation,
il peut être désirable de faire chevaucher les unes sur les autres dans le sens circonférentiel les ailettes adjacentes de manière qu'aucune particule ne puisse passer dans la direction axiale entre les ailettes adja- centes, sans frapper une ailette et sans être obligés ainsi de changer de direction. Une particule, entraînée dans l'écoulement d'air et changeant de direction, possède une composante de vitesse tangentielle et une.,composante. de vitesse axiale, quand elle se trouve en aval des ailettes directrices 25.
En théorie, une particule, quittant les ailettes 25 avec une composante tangentielle de vitesse et une composante axiale de vitesse, et n'étant soumise à aucune force extérieure,
<Desc/Clms Page number 9>
suit un trajet rectiligne jusqu'en un point quelconque de;la périphérie extérieure du canal 22, situé en aval des ailettes.
En pratique cependant, l'air tourbillonnaire exerce un effet significatif sur la trajectoire des particules. La trajectoire réelle d'une particule peut être comparée grossièrement à une hélice, dont le diamètre va en augmentant vers l'aval.
Dans le mode préféré de réalisation de l'invention, les ailettes directrices 25 ont une configuration, qui oblige les matières étrangères entraînées à atteindre la périphérie extérieure du canal 22 dans un intervalle axial compris entre l'extrémité amont 27' de la première paroi 27 et l'extrê- mité amont 28' de la seconde paroi 28. Une partie notable des particules s'écoule directement dans la fente d'extrac- tion 29, mais un grand nombre de particules viennent frapper la surface divergente de la première paroi 27 et rebondissent sur cette surface.
On choisit le degré de divergence de la paroi 27 de façon que les particules, rebondissant sur cette paroi, pénètrent dans la fente annulaire d'extraction 29 (fig. 1), comme le montre une ligne, en tirets représentant la trajectoire d'une particule. La combinaison de la paroi divergente et de la fente d'extraction, s'étendant sur une longueur notable dans un plan transversal au canal 22, pro- cure certains avantages, dont on ne disposait pas jusqu'à présent. Par exemple, les particules de matières étrangères peuvent atteindre la périphérie extérieure du canal 22, à une distance axiale notable. et être cependant retirées de l'écoulement d'air. Cette combinaison permet aussi d'utiliser une fente d'extraction d'une largeur radiale notable, sans étrangler exagérément l'écoulement du fluide.
A ce point de vue, il faut noter que l'extrémité amont 28' de la seconde
<Desc/Clms Page number 10>
paroi 28 possède un diamètre sensiblement aussi grand que celui de l'extrémité amont 27' de la première paroi. Il en résulte que les pertes de pression dans le séparateur ' sont maintenues à une valeur minimale, si on se réfère de nouveau aux figures 1 et 2', on vpit qu'un carter annulaire 35 du type en volute entoure le long d'une circonférence la tente d'extraction 29, de façon à former un espace annulaire d'emmagasinage 26, en communication avec la fente.
Une conduite de décharge 37 relie l'espace d'emmagasinage 36 à une pompe 38; cette pompe, entraînée par le moteur, refoule les particules étrangères dans l'atmosphère à travers une conduite 39.. A léxception de la quantité d'air relativement réduite qui est extraite en même temps que les matières étrangères, le courant d'air tourbilonnaire s'écoule suivant la direc- tion axiale, en aval du dispositif de recueil, et passe sur le ailettes stationnaires d'orientation 26, dont le contour est tel qu'elles suppriment le mouvement tourbillonnaire avant que l'air arrive dans les ailettes de guidage 18 de l'entrée du compresseur.
On a fait remarquer, dans le paragraphe précédent, que le diamètre de la seconde paroi 28 est sensi- blement le même que celui de l'extrémité amont 27' de la première paroi 27. Les techniciens comprennent facilement que la légère diminution de diamètre entre l'extrémité 27' et l'extraite 28' est prévue principalement pour recevoir la quantité d'air extraite en même temps que les matières étrangères.
On a représenté sur les figures 3 à 5 des sépara- teurs écoulement axial dont les configurations sont légère-' .ment modifiées. Si on considère d'abord la figure 3, on y
<Desc/Clms Page number 11>
voit un séparateur 40, qui est en principe analogue à celui des figures 1 et 2, en ce sens qu'il comporte un carter 41 et un capotage interne 42, définissant entre eux un canal axial 43, des ailettes d'entrée 44, chargées d'établir un . mouvement tourbillonnaire, une première paroi 45, qui est divergente, une seconde paroi 46, qui est cylindrique et des ailettes de sortie 47, chargées de supprimer le mouvement tourbillonnaire.
Un carter 48 entour le long d'une circon- férence une fente annulaire d'extraction 49, formée par la première paroi et la seconde paroi; ce carter 48 ren- ferme un espace d'emmagasinage 50, prévu pour recevoir la matière extraite à partir de la fente 49. Au lieu d'avoir %ne forme tronconique, la paroi divergente 45 possède un con- tour approprié, qui en fait une paroi de focalisation servant à diriger dans la fente d'extraction 49 les particules frappant cette paroi. La paroi 45 permet ainsi de profiter d'une loi naturelle bien connue, conformément à laquelle un objet frappant une surface lisse se réfléchit suivant un angle de réflexion égal à l'angle d'incidence.
Dans un séparateur donné, produisant un tourbillon d'un dessin connu, on peut engendrer expérimentalement un contour optimal de la paroi 45, puisqu'une portion particulière quelconque de la surface de cette paroi est frappée a'une manière répétée par des particules suivant des trajectoires sensiblement identiques.
Il en résulte qu'il existe, sur chaque portion de la paroi
EMI11.1
ure divergence optimale ou inclinai son locale p8!'1118'ttant de diriger dans la fente annulaire d'extraction des particules frappant cette portion. Le lieu géométrique de toutes ces inclinaisons locales définit ainsi le contour optimal de la paroi tout entière.
Il est évident, d'après ce qui précède, que les
<Desc/Clms Page number 12>
contours optimaux des parois peuvent être différents pour des conditions variées. Les idées de base de l'invention étant bien comprises, on peut engendrer à la fois mathéma- tiquement et expérimentalement les contours optimaux des parois pour des applications .variées. Pour déterminer le contour nécessaire d'une paroi de focalisation, il faut considérer différents facteurs. Ces facteurs comprennent la nature du fluide dans lequel les matières étrangères sont entraînées, le type des particules, leur masse, leur vitesse, leur distribution radiale, etc. La configuration des ailettes orientables produisant ou supprimant le mouve- ment tourbillonnaire constitue naturellement un facteur important, dont il faut tenir compte.
Dans certaines conditions, les contours de paroi, représentés sur les figures 4 et 5, peuvent être considérés comme optimaux, chacun de ces contqurs correspondant sensible- ment à une section d'un paraboloide de révolution. Le sépa- rateur, représenté sur la figure 4, est analogue à beaucoup de points de vue à celui représenté sur la figure 3 ; en conséquence, les éléments similaires de ces deux séparateurs ont été désignés par les mêmes références. -Dans le sépara- teur de la figure 4, la première paroi 45' possède un contour correspondant sensiblement à celui d'un paraboloïde de révo- lution, dont l'axe de symétrie coïncide avec l'axe longitu- dinal du séparateur 40.
Si on suppose un instant que la sur- face de la paroi 45' est précisément celle d'un paraboloide dont le foyer se trouve en F, il est évident, d'après les propriétés mathématiques et typiques bien connues, qu'un objet, se déplaçant sur un trajet rectiligne (suivant les lignes pointillées) à partir du foyer F jusqu'en un point quelconque
<Desc/Clms Page number 13>
de la surtace4 se réfléchit le long d'un trajet.parallèle à l'axe 51. Ceci étant bien établi, on voit que deux représen- tations dimensionnelles den trajectoires réelles des parti- cules étrangères, dans certaines conditions, sont représen- tées par les lignes en tirets.
Il faut noter que ces tra- jectoires rencontrent la paroi 45' sensiblement suivant les mettes angles que lest lignes pointillées passant par le foyer F.
En conséquence, les particules étrangères se réfléchissent aussi suivant des trajets à peu près parallèles à l'axe 51 et pénètrent par conséquent dans la fente 49' '
Dans d'autos conditions, les trajectoires réel- les peuvent prendre la forme représentée par les lignes en tirets de la figure 5.
Dans le séparateur de la figure 5, ' dont les nombres de référence sont identiques à ceux des séparateurs des figures 3 et 4, les particules étrangères se rapprochent de la surface de la paroi divergente 45" suivant des trajets presque parallèles à -celle-ci. Si on regarde le séparateur en coupe, on voit que les portions de paroi diamétralement opposées ont la .configuration d'une portion de parabole, dont le foyer F se trouve dans la fente 49 et dont l'axe A est parallèle aux trajectoires des particules qui se rapprochent.
La'surface tout entière de la paroi possède le contour engendré -en faisant tourner . , , une telle parabole autour de l'axe longitudinal 51 du séparateur 40. Pour simplifier, on peut considérer aussi la surface ainsi engendrée comme une section d'un parabololde de révolution.
Les analyses précédentes dé fonctionnement cor- respondant aux séparateurs 40 des figures 3 à 5, sont assez grossières, en ce sens qu'on a supposé que.les particules se déplaçaient seulement dans un espace à deux dimensions, dans
<Desc/Clms Page number 14>
lequel elles tourbillonnent en réalité Autour de l'axe 51, tout en exécutant un mouvement axial et un mouvement radial.
Néanmoins, on a constaté que les analyses de fonctionnement précédentes permettent de déterminer avec une grande pré- cision la configuration optimale des parois dans des con- ditions variées de fonctionnement.
Les séparateurs 40 des figures 3 à diffèrement aussi du séparateur 12 par la fait qu'ila ne comportent aucun dispositif pour aspirer les particules en dehors de l'espace d'emmagasinage 50 pendant le fonctionnement du mo- teur. On a constaté qu'on peut laisser les matières étran- gères s'accumuler pendant le fonctionnement et qu'on peut les évacuer après l'arrêt du auteur. Avec une telle con- ception, il peut être désirable de prévoir dans l'espace d'em- magasinage des cloisons destinées à diminuer la turbulence des particules. Puisqu'il n'y a pas d'évacuation de l'air on peut donner à la seconde paroi 46 le même diamètre qu'à l'extrémité amont des premières parois 45, 45' et 45".
Dans les modes de réalisation.représentés sur les figures 1 à , les parois divergente. commandent l'angle de rebondissement des particules frappant les parois, de manière à diriger les particules dans la fente radiale d'extraction.
La figure 6 représente un séparateur modifié 54, dans lequel une paroi divergente 55 à forme tronconique est constituée par une matière absorbant l'énergie cinétique; cette matière ne commande pas seulement l'angle de rebondissement, mais réduit aussi l'amplitude du rebondissement. A tous les autres points de vue, le séparateur 54 est -identique au sé- parateur 40 de la figure 3, c'est pourquoi, dans le but de simplifier, on a donné les mêmes nombres de référence ,aux éléments identiques de ces deux séparateurs.
Pour comprendre
<Desc/Clms Page number 15>
le fonctionnement du séparateur 54, il faut se rappeler que l'écoulement d'air et les particules entraînées par celui-ci se déplacent à une grande-vitesse à travers le canal axial 43. En formant la paroi 55 par un? matière . ' souple, capable d'absorber d'énergie de choc quand elle est frappée par une particule à grande vitesse, on peut réduire sensiblement la vitesse des particules et augmenter pro- portionnellement la probabilité du passage des particules dans. la fente d'extraction 41.
On peut former par exemple .le paroi divergente 55, dans le but de commander le re- bondissement des particules,, par du caoutchouc notablement amortisseur ou par une autre matière à grand coefficient d'amortissement et à faible coefficient de restitution.
Au début de la présente demande, on a indiqué que le° ailettes, chargées d'établir ou de supprime le mouvement tourbillonnaire, possèdent une configuration désirée d'orientation. En ce qui concerne les ailettes d'établissement du mouvement tourbillonnaire on a expliqué que leur configuration est telle que les particules étran- gères entraînées atteignent la périphérie extérieure du cana, de fluide, dans l'intervalle axial compris entre les extrémités amont respectives de la première paroi et de la seconde paroi.
Il est extrêmement difficile de définir d'une manière plus particulière la configuration précise de ces ailettes d'orientation, puisque cette configuration dépend, dans une large mesure., de certains facteurs du type mentionné précédemment à propos de la paroi de focalisation; ces facteurs comprennent la nature du fluide, dans lequel les matières étrangères sont entraînées, le type des par- ticules, leur masse, leur vitesse,, leur distribution radiale, etc. Deux configurations,qui sont certainement considérées
<Desc/Clms Page number 16>
dans la conception détaillée d'un séparateur quelconque conforme à l'invention, sont la configuration dite "à tourbillon libre" et la configuration dite "à orienta- tion constante".
La confogiruation à torubillon libre pro- " duit un tourbillon intense près du moyeu et un tourbillon' faible près des extrémités des ailettes. Dans cette cons ception, le tourbillon du moyeu peut être excessif, tandis que le tourbillon des extrémités des ailettes peut être inadéquat, même si les particules n'ont à parcourir qu'une faible distance radiale à l'endroit de ces extrémités.. La configuration à orientation constante peut produire au con- traire un tourbillon excessif aux extrémités des ailettes et un tourbillon inadéquat à l'endroit du moyeu.. En con- séquence, il est évident, pour les techniciens, que des modèles variés de tourbillons peuvent être nécessaires pour obtenir une séparation optimale des matières étrangères dans des conditions différentes.
En ce qui concerne les ailettes de suppression du mouvement tourbillonnaire, on peut définir la configuration d'orientation de ces ailettes, dans la plupart des conditions de fonctionnement, comme étant la configuration nécessaire pour supprimer le tour- billon produit par les ailettes précédentes. Si on désire cependant combiner le séparateur et le moteur à turbine à gaz dans un ensemble d'un seul bloc, on peut supprimer les ailettes de guidage de l'entrée du compresseur. Dans ce cas, les ailettes de suppression du mouvement tourbil- l'rnaire doivent diriger l'écoulement d'air vers les ailettes rotatives du compresseur, à peu près comme le font géné- ralement les ailettesde guidage de l'entrée du compresseur.
On a représenté sur la figure 7 un séparateur 60, dans lequel les ailettes d'entrée 61 d'établissement du tourbillon et
<Desc/Clms Page number 17>
les ailettes de sortie 62 de suppression du tourbil- lon sont réglables. On règle les angles d'inclinaison de ces ailettes de facon à modifier l'intensité de production et -de suppression du tourbillon en fonction des conditions variables du fonctionnement. Grâce à ces ailettes réglables d'établissement et de suppression du mouvement tourbillonnaire, le séparateur 60 peut produire une séparation effective des particules étran- gères dans une marge beaucoup plias étendue des conditions de fonctionnement, qu'il ne serait possible autrement.
De plus, si on règle les ailettes 61, 62 de matière à ne communiquer aucun mouvement tourbillonnaire à l'écoule- ment d'air, le moteur à turbine à gaz peut fonctionner , efficacement avec des pertes minimales dans des conditions n'exigeant pas la séparation des matières étrangères, comme par exemple 'dans le cas du vol aux grandes alti- tdes, où il n'y a pas de matières étrangères dans l'at- mosphère.
,
On voit, d'après ce qui précède, que le sépa- rateur perfectionné à écoulement axial, conforme à l'in- vention, est extrêmement efficace pour retirer d'un courant fluide de petites particules de matières étrangères, sans provoquer dans ce courait des pertes de pression excessives. Ce séparateur conforme à l'invention n'est pas seulement extrêmement efficace, il est également léger, compact et convient par conséquent particulièrement bien aux avions. D'autre part, puisque ce séparateur ne comporte aucune partie tournante et ne fonctionne qu'à' la température ambiante, il est relativement peu compliqué et peut être fabriqué avec des matériaux ne possédant 'pas des qualités particulières de fonctionnement à haute tempé-
<Desc/Clms Page number 18>
rature.
Il en résulte que' le séparateur de l'inven-
EMI18.1
tion est un d1epotfitif ralativr peu coûteux, au , point de vue fabrication:et entretien. ,
On a représenté et décrit ici des modes de réalisation préférés de l'invention, mais ,il est bien entendu qu'on peut apporter à ces modes de réalisation des modifications variées, sana sortir pour cela du domaine de l'invention.
REVENDICATIONS
Séparateur pour éliminer du courant fluide
EMI18.2
d'alimentation d'un moteur à, tu.rb1e A S8' les JlÁ1fièrea étrangères qui peuvent s'y trouver, ce séparateur étant caractérisé par les points suivant pris séparément ou . en combinaisons diverses! 1.- Il comprend un dispositifdéfinissant un canal annu- laire axial, qui comporte à ses extrémités opposées une entrée annulaire et une sortie aanulaire,un dispositif adjacent, à l'entrée pourdonner un mouvement tourbillon-
EMI18.3
naire au courant fi uide. '8' éco\,lant travers le canal,
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
<Desc / Clms Page number 1>
Axial flow separator.
<Desc / Clms Page number 2>
The present invention relates to axial flow separators, which serve to remove foreign matter from a fluid stream; more particularly, it relates to axial flow separators which have an improved device for collecting and removing foreign matter more effectively. The present invention is particularly suitable for installations on board airplanes, where it is desired to eliminate from an air flow, supplying a gas turbine engine, foreign matter such as sand, dust, and water.
Aircraft gas turbine engines are particularly susceptible to damage from foreign objects introduced into the air intake vents. This problem was already very serious in the past, with regard to certain relatively large foreign objects, such as stones, gravel, birds, hail, etc., which could cause instantaneous and very serious deterioration when they were damaged. broke into an engine.
Since the use of helicopters powered by gas turbines and vertical take-off and landing planes, smaller foreign particles, such as sand, dust and water particles, have become increasingly troublesome. This is mainly due to the conditions of use of these helicopters and vertical take-off and landing airplanes. Because an aircraft can take off and land vertically, it can be used in areas where there are no ordinary airfields, such as in combat zones and
<Desc / Clms Page number 3>
in other isolated areas.
Helicopters and vertical take-off and landing airplanes are also more particularly suitable for low-altitude flight over land and sea; they are also particularly useful for certain low-altitude missions, for example for close combat support missions for search and rescue missions and also for operations against submarines. Under these conditions, large amounts of small foreign matter, such as, for example, sand particles, dust, and water drops, can be entrained in the air flow feeding the gas turbine engine.
These particles, which individually have only a small effect on the engine, can on the other hand cause serious damage when they are introduced in large quantities into the engine. It has been found, for example, that the engine of a helicopter, flying at low altitude in a desert, can rapidly lose its performance due to the erosion produced on its fins by particles at high speed. Foreign matter, and in particular salt water, which is introduced into the engine in this way can cause rapid and destructive corrosion in addition to erosion.
It is therefore desirable to provide a device for separating and removing particles of sand, dust, water and the like, before the air flow is supplied to the engine. In order for a separator of such foreign particles to be satisfactory, it is essential that it effectively removes the unwanted particles from the air stream. High separator efficiency is particularly desirable in an airplane, due to the enormous amounts of air consumed by an airplane engine at,
<Desc / Clms Page number 4>
gas turbine. However, high separation efficiency is not the only characteristic required of a separator used with a gas turbine aircraft engine.
Since the separator constitutes an intimate part of the total power plant of an airplane, it must not adversely affect the overall efficiency of this installation; in other words, the pressure losses in the air flow passing through the separator should be as small as possible. In addition, the separator must be compact and light. since airplanes in general, and in particular vertical take-off and landing airplanes, are subject to severe weight limitation conditions. Finally, the separator must have the characteristics mentioned above, without being too complicated, nor too expensive from the point of view of manufacture and maintenance.
The object of the present invention is to provide an improved separator for efficiently removing foreign matter from a fluid stream.
, In a particular embodiment of the inventicn, the separator, crossed by an axial channel, comprises near its inlet, a device for giving the fluid current a vortex movement, and a collection device downstream of said device producing the movement swirling; the collection device is formed by outer walls; these walls comprise a first annular wall, which diverges in the axial direction downstream from the vortex producing device, and a second annular wall mounted in a position coaxial with the first wall.
The upstream end of the second wall is placed downstream of the upstream end of the first wall; its diameter is appreciably smaller \ than that of the corresponding part
<Desc / Clms Page number 5>
of the first wall located in the same transverse plane such that an annular extraction slot, extending over a fairly large radial distance, is defined between the first and the second walls.
As a result of the vortex movement imparted to the fluid stream, the particles of foreign matter are forced outward and enter the extraction slit. If it is desired to eliminate all or part of the vortex movement of the air stream after removal of foreign matter, a suitable device is installed for this purpose downstream of the collecting device.
Considering another aspect of the invention, it may be indicated that the first wall may have a characteristic contour such that it constitutes a focusing wall, which directs the external materials impinging upon it into the annular extraction slot. For a similar purpose, the first wall may be formed by a material absorbing kinetic energy, so as to damp the rebound of the particles which strike this wall. In accordance with the invention, the devices for producing and suppressing the vortex movement can be adjustable so as to achieve efficient operation under a wide range of conditions, including those conditions in which separation of foreign matter is not required.
On the attached drawing:
Fig. 1 is a sectional view of a power turbine shaft type gas turbine engine; this engine is equipped with a separator in accordance with the present invention; . FIG. 2 represents in perspective, with a partial section, the separator already shown in FIG. 1;
<Desc / Clms Page number 6>
FIG. 3 is a section through a separator according to the invention, in which one of the walls has an outline giving it the character of a focusing wall;
Figure 4 is a view similar to Figure 3, but shows a focusing wall in the form of a resolution paraboloid;
FIG. 5 is similar to FIG. 4, but represents a wall the contour of which is that of a modified paraboloid of revolution;
Figure 6, which is similar to the figure, shows a separator, in which one of the walls is formed by a material absorbing kinetic energy;
Figure 7, which is analogous to Figures 3 and 4, shows a separator having adjustable fins to produce and suppress the vortex movement.
Referring to Figure 1, there is a gas turbine power plant 10. This plant comprises a gas turbine engine 11, of the power turbine shaft type and a separator 12 with axial flow in accordance with to invention. This engine 11 successively comprises in the axial direction a compressor 13, an annular combustion chamber 14, a gas-generating turbine 15 for driving the compressor 13, and a power turbine 16 for driving an output shaft 17.
The power turbine shaft motor 11 is particularly suitable for helicopters, the rotor (not shown) of which is driven from the output shaft 17 through a suitable 17 '' speed reducer. this description will develop, however, it will become obvious to technicians that the separator can also be used
<Desc / Clms Page number 7>
well with turbojets and turboprop engines than with engines with a power turbine shaft, since the separator is essentially designed for all types of turbine engines.
As can be seen in Figures 1 and 2, the separator 12 is a static element having no moving parts. This separator comprises an outer casing 20 and an inner cowling 21; an axial and annular channel 22 is defined between the casing 20 and the cowling 21; this channel 22 comprises, at its opposite ends, an annular inlet 23 and an annular outlet 24, the latter communicating with the guide fins 18 of the inlet of the compressor. A row of radial and circumferentially spaced orienting fins 25 is disposed near the entrance 23; these fins 25 have a desired configuration, which changes the direction of the air flow, as will now be explained.
Another row of fins 26, radial and spaced apart on a circumference, is disposed near the outlet 24; these fins also have a desired configuration. Between the fins 25 and the fins 26 is a collection device, which comprises a first wall, 27 and a second wall 28.
In the embodiment shown, the second wall 28 forms part of the outer casing 20. The first wall 27, which is formed by a frustoconical element, coaxial with the axis of the separator, diverges downstream from the fins. - your 25. The second wall 28, which is a cylindrical element mounted in a coaxial position with respect to the first wall 27 and to the axis of the separator, has its upstream end 28 ', located downstream of the upstream end 27 'of the first wall 27.
The upstream end 28 'of the second wall 28 has a substantially smaller diameter than that of the portion of' 1.
<Desc / Clms Page number 8>
first wall 27 located in the same transverse plane; as a result, an annular extraction slot 29, extending over a fairly large radial distance, is defined between the two walls 27 and 28. During the operation of the motor 11 with the power turbine shaft, the area of low pressure, existing at the inlet of the compressor 13, causes a flow of high speed air through the annular channel 22.
As the air passes over the stationary orientation vanes 25 it undergoes a change of direction so that the air flow downstream of the vanes 25 has an axial velocity and an inclined velocity with respect to. axis. It is said that the fins gave a swirling motion to the fluid courart. The small particles of foreign matter entrained in the air stream also undergo a change of direction, mainly because the low mass particles are entrained by the vortex of the air. To be sure that particles of a larger mass also undergo a change of direction under the action of the orientation fins,
it may be desirable to overlap adjacent fins circumferentially on top of each other so that no particles can pass in the axial direction between adjacent fins without hitting a fin and thus without having to change of management. A particle, entrained in the airflow and changing direction, has a tangential velocity component and a., Component. axial speed, when it is downstream of the guide vanes 25.
In theory, a particle, leaving the fins 25 with a tangential velocity component and an axial velocity component, and not being subjected to any external force,
<Desc / Clms Page number 9>
follows a straight path to any point on the outer periphery of channel 22, located downstream of the fins.
In practice, however, the swirling air exerts a significant effect on the trajectory of the particles. The real trajectory of a particle can be roughly compared to a helix, the diameter of which increases downstream.
In the preferred embodiment of the invention, the guide fins 25 have a configuration, which forces the entrained foreign material to reach the outer periphery of the channel 22 in an axial gap between the upstream end 27 'of the first wall 27 and the upstream end 28 'of the second wall 28. A significant portion of the particles flow directly into the extraction slit 29, but a large number of particles strike the divergent surface of the first wall 27. and bounce off this surface.
The degree of divergence of the wall 27 is chosen so that the particles, bouncing off this wall, enter the annular extraction slot 29 (FIG. 1), as shown by a line, in dashed lines representing the trajectory of a particle. The combination of the divergent wall and the extraction slit, extending over a substantial length in a plane transverse to the channel 22, provides certain advantages, not heretofore available. For example, the particles of foreign matter can reach the outer periphery of channel 22, at a substantial axial distance. and yet be withdrawn from the airflow. This combination also makes it possible to use an extraction slot with a notable radial width, without excessively restricting the flow of the fluid.
From this point of view, it should be noted that the upstream end 28 'of the second
<Desc / Clms Page number 10>
wall 28 has a diameter substantially as large as that of the upstream end 27 'of the first wall. As a result, the pressure losses in the separator 'are kept to a minimum, if we refer again to Figures 1 and 2', it is seen that an annular casing 35 of the volute type surrounds along a circumference the extraction tent 29, so as to form an annular storage space 26, in communication with the slot.
A discharge line 37 connects the storage space 36 to a pump 38; this pump, driven by the motor, pushes foreign particles back into the atmosphere through line 39. With the exception of the relatively small amount of air which is removed together with the foreign matter, the swirling air stream flows in the axial direction, downstream of the collecting device, and passes over the stationary orientation fins 26, the contour of which is such as to suppress the vortex movement before the air arrives in the fins of guide 18 of the compressor inlet.
It was pointed out in the previous paragraph that the diameter of the second wall 28 is substantially the same as that of the upstream end 27 'of the first wall 27. Technicians readily understand that the slight decrease in diameter between the end 27 'and the extract 28' are mainly intended to receive the quantity of air extracted together with the foreign matter.
Axial flow separators are shown in Figures 3 to 5, the configurations of which are slightly modified. If we first consider figure 3, we have
<Desc / Clms Page number 11>
sees a separator 40, which is in principle similar to that of Figures 1 and 2, in that it comprises a casing 41 and an internal cowling 42, defining between them an axial channel 43, inlet fins 44, loaded to establish a. vortex movement, a first wall 45, which is divergent, a second wall 46, which is cylindrical and outlet fins 47, responsible for suppressing the vortex movement.
A housing 48 surrounds along a circumference an annular extraction slot 49 formed by the first wall and the second wall; this housing 48 encloses a storage space 50, provided to receive the material extracted from the slot 49. Instead of having a frustoconical shape, the divergent wall 45 has an appropriate contour, which makes it a focusing wall serving to direct the particles striking this wall into the extraction slit 49. The wall 45 thus makes it possible to take advantage of a well-known natural law, according to which an object striking a smooth surface is reflected at a reflection angle equal to the angle of incidence.
In a given separator, producing a vortex of a known pattern, one can experimentally generate an optimal contour of the wall 45, since any particular portion of the surface of that wall is repeatedly struck by particles following patterns. substantially identical trajectories.
It follows that there is, on each portion of the wall
EMI11.1
ure optimal divergence or inclined its local p8! '1118' tant to direct particles hitting this portion into the annular extraction slot. The geometrical locus of all these local inclinations thus defines the optimal contour of the entire wall.
It is evident from the above that the
<Desc / Clms Page number 12>
optimum wall contours may be different for various conditions. The basic ideas of the invention being well understood, one can generate both mathematically and experimentally the optimal contours of the walls for a variety of applications. To determine the required contour of a focusing wall, several factors must be considered. These factors include the nature of the fluid in which the foreign matter is entrained, the type of particles, their mass, velocity, radial distribution, etc. The configuration of the orientable fins producing or suppressing the vortex movement is naturally an important factor which must be taken into account.
Under certain conditions, the wall contours, shown in FIGS. 4 and 5, can be considered as optimal, each of these contqurs corresponding substantially to a section of a paraboloid of revolution. The separator, shown in Fig. 4, is similar in many ways to that shown in Fig. 3; consequently, similar elements of these two separators have been designated by the same references. In the separator of FIG. 4, the first wall 45 'has a contour corresponding substantially to that of a revolution paraboloid, the axis of symmetry of which coincides with the longitudinal axis of the separator 40.
If we assume for a moment that the surface of wall 45 'is precisely that of a paraboloid whose focus is at F, it is evident from the well-known mathematical and typical properties that an object, moving in a rectilinear path (following the dotted lines) from the focus F to any point
<Desc / Clms Page number 13>
of the surtace4 is reflected along a path parallel to the axis 51. This being well established, we see that two dimensional representations of the real trajectories of the foreign particles, under certain conditions, are represented by dashed lines.
It should be noted that these trajectories meet the wall 45 'substantially along the same angles as the dotted lines passing through the focal point F.
As a result, the foreign particles are also reflected along paths roughly parallel to the axis 51 and therefore enter the slot 49 ''
Under other conditions, the actual trajectories may take the form represented by the dashed lines in Figure 5.
In the separator of Figure 5, the reference numbers of which are identical to those of the separators of Figures 3 and 4, the foreign particles approach the surface of the divergent wall 45 "in paths almost parallel thereto. If we look at the separator in section, we see that the diametrically opposed wall portions have the configuration of a parabola portion, the focus F of which is in the slot 49 and the axis A of which is parallel to the trajectories of the parabola. particles approaching.
The entire surface of the wall has the contour generated by rotating. ,, such a parabola around the longitudinal axis 51 of the separator 40. For simplicity, the surface thus generated can also be considered as a section of a paraboloid of revolution.
The previous analyzes of operation corresponding to separators 40 of Figures 3 to 5 are quite crude, in that it was assumed that the particles moved only in two-dimensional space, in
<Desc / Clms Page number 14>
which they actually swirl around the axis 51, while performing an axial movement and a radial movement.
Nevertheless, it has been observed that the preceding operating analyzes make it possible to determine with great precision the optimum configuration of the walls under various operating conditions.
The separators 40 of FIGS. 3 also differ from the separator 12 in that they do not include any device for sucking the particles out of the storage space 50 during the operation of the engine. It has been found that foreign matter can be allowed to accumulate during operation and can be disposed of after the perpetrator has stopped. With such a design, it may be desirable to provide partitions in the storage space to decrease particle turbulence. Since there is no evacuation of the air, the second wall 46 can be given the same diameter as the upstream end of the first walls 45, 45 'and 45 ".
In the embodiments shown in Figures 1 to, the divergent walls. control the bounce angle of the particles hitting the walls, so as to direct the particles into the radial extraction slot.
Figure 6 shows a modified separator 54, in which a divergent wall 55 of frustoconical shape is made of a material absorbing kinetic energy; this material not only controls the bounce angle, but also reduces the amplitude of the bounce. From all other points of view, the separator 54 is -identical to the separator 40 of FIG. 3, this is why, in order to simplify, the same reference numbers have been given to the identical elements of these two separators.
To understand
<Desc / Clms Page number 15>
In the operation of the separator 54, it should be remembered that the air flow and the particles entrained by it move at a high speed through the axial channel 43. By forming the wall 55 by a? matter. Flexible, capable of absorbing shock energy when struck by a particle at high speed, the speed of the particles can be significantly reduced and the probability of particles passing through it proportionately increases. the extraction slot 41.
For example, the divergent wall 55 can be formed, for the purpose of controlling the rebound of the particles, by notably damping rubber or by another material with a high damping coefficient and a low coefficient of restitution.
At the beginning of the present application, it was indicated that the fins, responsible for establishing or suppressing the vortex movement, have a desired orientation configuration. As regards the fins for establishing the vortex movement, it has been explained that their configuration is such that the entrained foreign particles reach the outer periphery of the fluid duct, in the axial interval between the respective upstream ends of the tube. first wall and the second wall.
It is extremely difficult to define in a more particular way the precise configuration of these orientation vanes, since this configuration depends, to a large extent., On certain factors of the type mentioned previously in connection with the focusing wall; these factors include the nature of the fluid in which the foreign matter is entrained, the type of the particles, their mass, speed, radial distribution, and the like. Two configurations, which are certainly considered
<Desc / Clms Page number 16>
in the detailed design of any separator according to the invention are the so-called "free vortex" configuration and the so-called "constant orientation" configuration.
Free torubillon configuration produces intense vorticity near the hub and weak vorticity near the fin ends. In this design, hub vortex may be excessive, while vortex at the fin ends may be inadequate. even though the particles only have to travel a small radial distance at these ends. The constant orientation configuration can instead produce excessive vorticity at the fin ends and inadequate vorticity at the end of the fins. hub location. Accordingly, it is evident to technicians that various vortex patterns may be required to achieve optimum separation of foreign matter under different conditions.
With respect to the vortex suppression fins, the orientation configuration of these fins, under most operating conditions, can be defined as the configuration necessary to suppress the vortex produced by the preceding fins. If, however, it is desired to combine the separator and the gas turbine engine in a single unit assembly, the guide vanes for the inlet of the compressor can be omitted. In this case, the vortex suppressor vanes should direct the air flow to the rotating compressor vanes, much as the compressor inlet guide vanes generally do.
FIG. 7 shows a separator 60, in which the inlet fins 61 for establishing the vortex and
<Desc / Clms Page number 17>
the vortex suppressing outlet fins 62 are adjustable. The angles of inclination of these fins are adjusted so as to modify the intensity of production and suppression of the vortex as a function of the varying operating conditions. By virtue of these adjustable fins for establishing and suppressing the vortex movement, the separator 60 can produce effective separation of foreign particles within a much wider range of operating conditions than would otherwise be possible.
In addition, if the fins 61, 62 are adjusted so as not to impart any vortex motion to the air flow, the gas turbine engine can operate efficiently with minimal losses under conditions not requiring the separation of foreign matter, as for example in the case of flight at high altitudes, where there is no foreign matter in the atmosphere.
,
It will be seen from the foregoing that the improved axial flow separator according to the invention is extremely effective in removing small particles of foreign matter from a fluid stream without causing the flow to occur. excessive pressure losses. This separator according to the invention is not only extremely efficient, it is also light, compact and therefore particularly suitable for airplanes. On the other hand, since this separator has no rotating parts and operates only at room temperature, it is relatively uncomplicated and can be manufactured with materials not possessing particular high temperature operating qualities.
<Desc / Clms Page number 18>
crossed out.
It follows that 'the separator of the invention
EMI18.1
tion is an inexpensive repository, from a manufacturing and maintenance point of view. ,
Preferred embodiments of the invention have been shown and described here, but it is understood that various modifications can be made to these embodiments, without thereby departing from the scope of the invention.
CLAIMS
Separator for removing fluid stream
EMI18.2
power supply from a motor to, tu.rb1e A S8 'the foreign JlÁ1fièrea which may be there, this separator being characterized by the following points taken separately or. in various combinations! 1.- It comprises a device defining an axial annular channel, which comprises at its opposite ends an annular inlet and an aanular outlet, an adjacent device, at the inlet to give a vortex movement.
EMI18.3
nary to the fi uid current. '8' eco \, going across the canal,
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.