<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 éliminer les matières étrangères des courants fluides; elle concerne plus parti- , culièrement des séparateurs à écoulement axial comportant un dispositif perfectionné pour recueillir et éliminer plue efficacement les matières étrangères. La présente invention convient particulièrement bien aux installations de bord des avions, quand on désire éliminer de l'écoulement d'air, ali- mentant un moteur à turbine à gaz, les matières étrangères pouvant s'y trouver, comme par exemple le sable., la poussière et l'eau.
Les moteurs d'avion à turbine à gaz risquent particulièrement d'être détériorés par des objets étrangers introduite dans leurs buses d'entrée d'air. Ce problème a présenté sa plus grande acuité dans le passé, en ce qui concerne les objets étrangers relativement volumineux, comme par exemple les pierres, le gravier, les oiseaux, la grêle, etc., qui pouvaient provoquer instantanément des dégâts im- portants, quand ils s'introduisaient dans ces moteurs. vec le développement des hélicoptères, mus par des turbines à gaz, et des autres aéronefs à décollage et atterrissage verticaux, le danger des petites particules de matières étran- gères, telles que le sable, la poussière et l'eau est devenu de plus en plus grand en raison principalement des. conditions d'utilisation de ces aéronefs.
' Un aéronef du type à décol- lage et atterrissage verticaux peut être utilité dans des zones où il n'existe pas d'aérodrome ordinaire par exemple dans des zones de combat ou dans d'autres zones isolées. Les hélicoptères et les autres aéronefs à décollage et atterrissage
<Desc/Clms Page number 3>
verticaux conviennent aussi particulièrement bien pour cer- taines missiona à basse altitude, sur terre ou sur mer ; cesmissions comprennent l'accompagnement rapproché au combat, la recherche, le sauvetage, et la guerre anti-sous-marine.
Dans ces conditions et dans d'autres conditions analogues, des quantités importantes de petits corps étrangers, comme par exemple des particules de sable et des poussières, ainsi que des gouttelettes d'eau, peuvent être entraînes dans l'é@@@- lement d'ai r alimentant un moteur à turbine à gaz. Ces parti- cules, qui ne peuvent exercer individuellement qu'un effet réduit sur le moteur, sont capables,'par contre, de produire les dégâts très importants dans le. moteur, quand elles sont introduies en grandes quantités dans celui-ci.
On a constaté par exemple que le moteur d'un hélicoptère, volant à basse altitude dans une région désertique, perdait rapidement ses performances en raison de l'érosion des ailettes de compres- seur et de turbine par des particules étrangères à grande vitesse.. En plus de l'érosion, les matières étrangères, et en particulier l'eau salée, qui sont introduites de cette manière dans le moteur, peuvent provoquer rapidement une corrosion destructrice.
EMI3.1
Il est par com&pmt di'3ae de réaliser un dia- positif pourséperer du courant d'air lea particules de câble, les poussières et les gouttes d'eau. avant que le courant d'air arriva dans le moteur. Peur que le séparateur choisi,
EMI3.2
en vue de remplir cette 1:
enct1oa, soit eatl8!"ai.8SDt. il faut évidemment qu'il puisse éliaioer ..ff'1e.aC8llent de 3.xaoet d'air les particules indésirables. Une efficacité élevée est particulièrement désirable pour un séparateur, monté à bord d'un aéronef équipé d'un moteur à turbine à gaz, à cause des
<Desc/Clms Page number 4>
grandes quantités d'air et par conséquent des grandes quantités de particules étrangères, qui sont absorbées par un tel moteur.
Cependant, une grande efficacité de séparation n'est pas la seule caractéristique à exiger d'un séparateur utilisé sur un moteur d'avion à turbine à gaz. Puisque le séparateur fait partie de l'installation motrice totale d'un avion, il ne doit pas nuire au rendement de cette installation; autrement dit, les pertea de pression, dans l'écoulement d'air traversant le séparateur, doivent être aussi réduites que possible. De plus, le séparateur doit éliminer efficacement les matières étrangères, sans permettre aux matières extraites ou à la glace, qui.peut se former sur le dispositif d'extraction pendant le vol de l'avion, de bloquer le canal d'écoulement du fluide et de provoquer ainsi une réduction indésirable du débit de l'écoulement d'air dans le moteur (et par conséquent une chute de pression excessive), en même temps qu'une perte de puissance.
Une réduction suffisamment grande du débit de l'écoulement d'air peut provoquer, non seulement une perte de puissance, mais aussi une panne du moteur par suite des conditions sévères provoquées par une température exagérée dans les chambres de combustion et dans la turbine. En outre, le séparateur doit être compact et léger, car les aéronefs en général, et les aéronefs à décollage'et atterris- sage verticaux en particulier, sont soumis à des limitations -de poids très strictes. Enfin, le séparateur doit posséder les caractéristiques mentionnées ci-dessus, sans être exces- sivement compliqué et aussi sans être trop coûteux, au point qe vue fabrication et entretien.
Le but principal de l'invention est de réaliser un séparateur, qui soit extrêmement efficace pour éliminer
<Desc/Clms Page number 5>
d'un courant fluide des matières étrangères, et qui ne produise pas des pertes notables de pression dans le courant.
Dans un mode de réalisation étudié spécialement pour un moteur à turbine à gaz, le séparateur, qui est traversé par un canal axial, comporte un dispositif, près de son entrée, pour communiquer un mouvement tourbillonnaire à un courant fluide, et un dispositif de recueil, placé en aval de ce diapo- sitif de production du mouvement tourbillonnaire.. Le dispositif de recueil est formé par des parois extérieures, comprenant une première paroi annulaire et une seconde paroi annulaire, cette seconde paroi étant montée dans une position ooaxiale par rapport à la première paroi.
L'extrémité amont de la seconde aroi possède un diamètre sensiblement plus petit que celui de la partie correspondante suivant la direction axiale de la première paroi, de manière à définir, entre la première paroi et la seconde paroi, une cavité annulaire d'extraction possédant une assez grande dimension radiale. Par suite du' mouvement tourbillonnaire communiqué au courant fluide, les particules de matières étrangères sont refoulées vers l'exté- rieur et pénètrent dans la cavité d'extraction. Grâce à une communication reliant la cavité annulaire au canal axial, le fluide, pénétrant dans la cavité avec les matières étrangères, ' peut entrer de nouveau dans le courait principal du fluide..
Un dispositif de filtrage est monté dans cette communication pour empêcher les matières étrangères de retourner dans le canal axial en même temps que le fluide. Si on désire supprimer totalement ou partiellement le mouvement tourbillon- naire du courant fluide, après l'élimination des matières étrangères, il faut prévoir un dispositif, en aval du disposi- tif de recueil, pour supprimer ce mouvement.
Conformément à une autre caractéristique de l'in-
<Desc/Clms Page number 6>
vantion, la première paroi peut diverger, suivant une forme tronconlque, en aval des ailettes de production du mouvement tourbillonnaire, ou posséder un autre contour caractéristique tel qu'elle constitue une paroi de focalisation, qui dirige dans la cavité annulaire d'extraction les matières étrangères venant la frapper,¯ Conformément à une autre caractéristique de l'in- vention, le dispositif de recueil peut être utilisé sous la forme d'éléments disposés en parallèle ou.
être combiné avec un autre dispositif de séparation, A ce point de vue, ce dispositif de recueil convient particulièrement bien pour être combiné avec le nouveau dispositif séparateur qui a été décrit dans une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 29 mars 1965 sous le titre de "Axial Flow Separator" Sépa- ratour d'écoulement axial),,
Conformément aussi à l'invention, les dispositifa de production et de ,suppression du mouvement tourbillonnaire peuvent être réglables de manière à réaliser un fonctionnement efficace dans une marge étendue de conditions différentes, y compris des conditions n'exigeant aucune séparation.
Sur le dessin annexé:
La figure 1 représente en coupe un moteur à turbine à gaz du type "à arbre de turbine", qui comporte un séparateur conforme à l'invention;
La figure 2 représente en perspective et en cou- pe partielle la séparateur de la figure 1;
La figure 3 est une coupe d'un séparateur conforme à l'invention, dans lequel l'une des parois est tronconique de façon à former une paroi de focalisation;
La figure 4 est une vue suivant la ligne 4-4 de la figure 3;
La figure 5 est une vue analogue à la figure 3, mais
<Desc/Clms Page number 7>
représentq un autre type de paroi de focalisation;
La figure 6 représente un séparateur conforme à l'invention, mais utilisé en combinaison avec un autre type de séparateur.
On voit sur la figure 1 une installation motrice à turbine à gaz 10, qui comprend un moteur 11 du type "à arbre de turbine" et un séparateur à écoulement'axial 12, conforme à l'invention. Le moteun 11 comprend successivement, en sui- vant la direction axiale,un compresseur 13, une chambre annulaire de combustion 14, une turbine 15 de production de gaz pour entraîner le compresseur 13, et une turbine de puis- sance 16 entraînant un arbre de sortie 17. Le moteur 11 con- vient particulièrement pour un hélicoptère, dont le rotor (non représenté) peut être entraîné par 1'arbre de sortie 17 et par l'intermédiaire d'un réducteur approprié de vitesse 17' .
A la lecture de la présente description, il deviendra évident pour les techniciens que le séparateur peut être utilisé avec des turboréacteurs et des turbopropulseurs, aussi bien qu'avec des moteurs à turbine de puissance entraînant un arbre, puisqu'il est étudié essentiellement pour toua les types de moteurs à turbine.
Comme on le voit sur les figures 1 et 2, le sépara- teur 12 est un élément statique ne comportant aucune partie mobile. Ce séparateur comprend un carter-extérieur 20 et un capotage intérieur 21, qui définissent entre eux un canal annulaire axial 22, comportant respectivement à ses extrémités opposées une entrée annulaire 23 et une sortie annulaire 24; cette sortie communique avec les ailettes 18 de guidage d'entrée du compresseur. Une rangée circonférentielle dtailet- tes directrices, radiales et espacées 25 est montée près
<Desc/Clms Page number 8>
de l'entrée 23; ces ailettes 25 possèdent une configuration désirée d'orientation, que l'on va décrire à présent.
Une autre rangée circonférentielle d'ailettes radiales espacées 26 est installée près de la sortie 24; ces ailettes 26 possèdent aussi une configuration exigée. Entre d'une part les ailettes 25 et d'autre part les ailettes 26 se trouve un dispositif de recueil, qui comprend une première paroi 27 et une seconde paroi 28; la première paroi 27, dans le mode de réalisation représenté, consis te en une partie cylindrique du carter extérieur 20; cette partie est intermédiaire entre les ailettes directrices 25 et une collerette circonférentielle 29, qui sert à fixer l'extrémité aval de la première. paroi 27 sur la partie arrière 30 du carter 20.
La seconde paroi 28 est un élément cylindrique monté dans une position coaxiale par rapport à la première parois? et par rapport à l'axe du- réparateur; cette paroi 28 est supportée sur la première paroi 27 au moyen de supports 35; son extrémité.amont est située en aval des ailettes directrices 25, à une certaine distance axiale de celles-ci, comme on l'expliquera en détail un peu plus loin. La seconde paroi 28 possède un diamètre sensible- ment plus petit que celui.de la première paroi 27. Il en résulte qu'une, cavité annulaire d'extraction 31 d'une dimen- sion radiale notable est'définie entre les deux parois 27 et 28. La cavité 31 comporte ainsi une! entrée annulaire 32 à son extrémité amont et une sortie annulaire 33 à son extré- mité aval.
L'entrée 32 et la sortie 33 sont définies, entre la première paroi 27 et la seconde paroi 28, de manière à réaliser une communication du fluide entre le canal annulaire
22 et. la cavité 31. Pour empocher les particules de ma- tières étrangères, qui sont entrées dans la cavité 31 comme on l'expliquera plus loin, de pénétrer de nouveau dans le
<Desc/Clms Page number 9>
canal 22 en passant par la sortie 33, un filtre annulaire 34 relie la première paroi 27 et la seconde paroi 28 à l'extré- mité aval de la seconde paroi. Pour que le rendement global de l'installation motrice tout entière ne soit pas réduite, le filtre annulaire 34 ne doit produire qu'une faible chute de pression; on peut constituer ce filtre par exemple au moyen d'une matière poreuse se présentant sous la forme d'une mousse.
Les techniciens imagineront facilement d'autres ma- tières pouvant convenir pour constituer ce filtre,
Pendant le fonctionnement du moteur 11, la zone à basse pression, existant à l'entrée du compresseur 13, pro- duit un écoulement d'air à grande vitesse à travers le canal annulaire 22. Quand l'air passe sur les ailettes fixes direc- trices 25, il tourne suivant un arc de cercle de telle sorte qu'il possède, en aval des ailettes 25 à la fois une vitesse axiale et une vitesse oblique par rapport à l'axe; on dit que les ailettes ont communiqué au courant fluide un mouve- ment "tourbillonnaire".
Les petites particules de matières étrangères, qui sont entraînées dans l'écoulement d'air, sont soumises aussi à un changement de direction; .ce sont prin- cipalement les particules d'une masse relativement réduite qui changent de direction et qui sont entraînées en même temps que l'air tourbillonnaire. Pour que les particules ayant une masse plus grande changent aussi de direction sous l'action des ailettes directrices, il peut être désirable de faire chevaucher circonférentiellement les ailettes adjacentes, de façon qu'une particule ne puisse pas passer suivant la di- rection axialè entre deux ailettes adjacentes, sans frapper une ailette et sans changer par conséquent de direction.
Une particule, entraînée dans le courant d'air et changeant de di- rection, possède à la fois une vitesse tangentielle et une
<Desc/Clms Page number 10>
vitessp axiale, en aval dea ailettes directrices 25. En théorie, une particule quittant les ailettes 25 avec une vitesse tangentielle et une vitesse axiale,, cette particule n'étant soumise à aucune force extérieure, suit un trajet rectiligne jusqu'à la périphérie extérieure du canal 22, c'est-à-dire jusqu'à un point de cette périphérie situé en aval des ailettes. En pratique cependant, l'air tourbillon. naire exerce un effet significatif sur la trajectoire de cette particule. Sa trajectoire réelle peut être comparée grossièrement à celle d'une hélice dont le diamètre va en augmentant dans la direction aval.
Dans le mode préféré de réalisation de la présente invention, les ailettes directrices'25 possèdent une configu- ration, qui oblige les matières étrangères entraînées à atteindre la périphérie extérieure du canal 22 en amont de la seconde paroi, et à s'écouler ensuite directement dans la cavité annulaire 31 en passant par l'entrée 32 ou bien à venir frapper la première paroi 27et à rebondir à partir de celle- ci dans l'intérieur de la cavité 31. Quand les particules sont entrées dans la cavité 31 le filtre annulaire 34 les empêche de retourner dans le canal axial 22. Les particules sont ainsi recueillies dans la cavité 31, où elles restent jusqu'4 l'arrêt du moteur 11.
Quand le moteur ne fonctionne pas, on peut retirer les particules à travers un orifice de nettoyage 35, au moyen d'un dispositif approprié, par example d'une conduite souple d'aspiration (non représentée) que l'on introduit à travers cet orifice. Il est évident mainte- nant pour les techniciens que le volume de la cavité 31 doit être suffisant pour contenir toutes les particules qui pquvent se présenter pendant le fonctionnement du moteur; en suppo- sant les conditions les plus défavorables. En conséquence,
<Desc/Clms Page number 11>
la seconde paroi 28 doit avoir une longueur axiale suffisante pour réaliser le volume nécessaire.
Le réalisateur d'un sé- parateur particulier corforme à l'invention, trouve facilement cette longueur pour des -conditions spécifiées d'utilisation.
Dans certaines conditions de fonctionnement, le volume des particules recueillies dans la cavité 31 peut être suffisantpour bloquer l'écoulement de l'air à travers le filtre annulaire 34. De même, de la glace peut se former, dans des conditions atmosphériques particulièrement défavorables, et peut bloquer l'écoulement de l'air à partir de la cavité 31 dans le canal axial. Bien qu'aucune de ces deux situations ne soit désirable, le canal 22 n'est pas complètement bloqué, puisque la partie intérieure du cana entre le capotage inté- rieur 21 et la seconde paroi 28, est encore ouverte et permet l'écoulement de l'air.
En conséquence, même ai le filtre . d'arrêt 34 est bloqué, soit par des particules étrangères, soit par de la glace, une quantité suffisante d'air peut encore atteindre le moteur pour maintenir une puissance adéquate de celui-ci et pour empêcher une surchauffe grave du moteur.
Comme on l'a noté précédemment, la première paroi 27 est fixée sur la partie arrière 30 du carter 20 à l'endroit d'une collerette 29. Si on désassemble le séparateur 12 à @ l'endroit de cette dollerette, on peut facilement retirer le filtre annulaire 34 pour le vérifier, le réparer ou le rem- placer. Il est facile aussi naturellement de nettoyer de cette manière la cavité 31.
Dans la demande de brevet citée plus haut en réfé- rence, on explique l'emploi d'une paroi divergente de focalisa- tion, servant à diriger des particules étrangères dans un dispositif de recueil, qui est différent de celui conforme à
<Desc/Clms Page number 12>
la présente invention. Pour comprendre le dispositif de cette demande de brevet, on se référera à celle-ci et aussi à la figure 5 du présent dessin, sur laquelle, le sépara- teur conforme à la présente invention, est représenté en combinaison avec le séparateur conforme à ladite demande de brevet. Cependant, la présente invention peut aussi être utilisée avec une paroi de focalisation du type décrit dans ladite demande de brevet.
On voit par exemple sur la figure 3 un séparateur 40, qui est sensiblement analogue à celui représenté sur les figures 1 et 2, en ce sens qu'il comprend un carter 41, un capotage intérieur 42 définissant entre lui-même et le carter 41 un canal axial-'43, des ailettes d'entrée 44 pour produire un mouvement tourbillonnaire, une première paroi 45, une seconde paroi cylindrique 46, et dea ailettes de sortie 47 destinées à supprimer le mouvement tourbillonnaire. Ceperdant, au lieu d'être cylindrique la paroi 45 est tronconicue de manière à constituer une paroi de focalisation située en amont de la seconde paroi 46 et destinée à diriger dans une cavité d'extraction 49 les parti- cules qui la frappent.
Tandis qu'une partie assez impor- tante des particules s'écoule directement dans la cavité d'extraction 49, formée entre les parois 45 et 46, de nom- breuses particules viennent frapper la surface divergente de la première paroi 45 et rebondissent sur cette surface. Le degré de divergence de cette surface est choisi de manière . que les particules, rebondissant sur la première paroi 45, pénètrent dans la cavité annulaire 49, comme on le voit sur la figure 3, dont une ligne en tirets représente la trajec- toire d'une particule typique. Le filtre d'arrét 50 diffère du filtre 34 par le fait qu'il est plissé, comme on le voit sur la figure 4.
Ce filtre plissé 50 présente certains avan-
<Desc/Clms Page number 13>
tages, car les poussières et les autres par..culée de matières étrangères peuvent être retenues dans les plis de ce filtre.
En conséquence, les particules risquent moins d'être délogées et de tomber dans le canal principal 43 quand le séparateur 40 ne fonctionne pas. D'autre part, la manière du filtre plissé offre une surface de filtrage beaucoup plus grande dans un espace limité, de telle sorte que la dmte de pression est réduite considérablement et que le pouvoi; total de recueil est porté à une valeur'maximale.
Le séparateur, représenté sur la figure 5,. est analogue à de nombreux points de vue au séparateur de la figure 3; on a donc désigné le* éléments analogues de ces deux figures par les mêmes nombres de référence, en ajoutant simplement le signe "prime" aux nombres de référence de la figure 5. Au lieu d'avoir une forme tronconique, la paroi divergente 45'possède un contour longitudinal arrondi tel qu'elle constitue aussi une paroi de focalisation diri- geant dans la cavité 49' les particules qui la frappent.
Cette paroi 45' possède un contour permettant de tirer pro- fit de la loi naturelle bien connue, suivant laquelle un objet frappant une surface lises se réfléchit suivant un angle égal à son angle d'incidence. Dans un séparateur donné, dont le trajet de l'air tourbillonnaire est connu, un contour optimal de la paroi peut' être engendré expérimentalement, puisqu'une portion particulière quelconque de la surface de la paroi est frappée d'une manière répétée par des particules parcourant des trajectoires sensiblement identiques. Il en résulte qu'il existe, dans chaque partie de la paroi, une divergence optimale, c'est-à-dire une inclinaison locale optimale qui permet de diriger dans la fente annulaire d'ex- traction les particules frappant ladite partie de la paroi.
<Desc/Clms Page number 14>
Le lieu géométrique de toutes ces inclinaisons locales définit ainsi le contour optimal de la surface tout entière de la paroi.
D'après ce qui précède, il est évident qu'on peut désirer des contours optimaux différents de la paroi dans des conditions différentes. Quand on a bien compris les principes de base, on peut engendrer, mathématiquement et expérimentalement, les contours optimaux des parois pour des applications variées. Pour déterminer le contour néces- saire d'une paroi de focalisation il faut considérer diffé- rents 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, produisant le,mouvement tourbillonnaire, constitue aussi naturellement un facteur important dont il faut tenir compte.
Les analyses précédentes, en ce qui concerne les séparateurs des figures 3 à 5, sont assez grossières, car on a supposé que les particules ne se déplacent que suivant.deux dimensions, alors qu'elles tourbillonnent en réalité autour des axes des séparateurs, en plus de leur mouvement axial et de leur mouvement radial. Néanmoins, on a trouvé que ce type'd'ana- lyse donne une grande précision pour déterminer les confi- gurations optimales des parois dans des conditions variées de fonctionnement. On a souligné, au début de la présente demande, le fait que les ailettes de production et de suppression du mouvement tourbillonnaire possèdent une con- figuration désirée d'orientation de l'écoulement.
En ce qui concerne les ailettes de production du mouvement tourbil- lonnalre, on a expliqué que leur configuration est telle que les particules entraînées atteignent la périphérie extérieure
<Desc/Clms Page number 15>
du canal de fluide en amont de la seconde paroi. Il est extrêmement difficile de définir avec une plus grande préci- sion la configuration d'orientation de ces ailettes, car leur configuration dépend, dans une grande mesure, de certains facteurs du type discuté plus haut à propos de la paroi de focalisation; ces facteurs comprennent la nature du fluide, dans lequel les matières étrangères sont entraînées, le type des particules leur masse, leur vitesse, leur distri- bution radiale, etc.
Deux configurations, qu'il faut certaine- ment considérer quand on étudie en détail un séparateur quel- conque conforme à l'invention, sont la configuration dite "à tourbillon libre" et la configuration dite "à orientation constante". La configuration à tourbillon libre produit un tourbillon de moyeu à grande vitesse et un tourbillon d'extré- mité à faible vitesse. Avec une telle configuration, le tourbillon de moyeu peut être excessif, et le tourbillon d'extrémité peut être inadéquat, même si les particules n'ont qu'une faible distance radiale à parcourir aux extrémités.
Au contraire, une configuration à orientation constante peut produire un tourbillon excessif aux extrémités et un tour- billon inadéquat à l'endroit du moyeu. En conséquence, il est évident pour les techniciens que des trajets variés- de mouvement tourbillonnaire peuvent être nécessaire pour obtenir leB résultats optimaux de séparation dans des condi- tions différentes.
En ce qui,concerne¯les ailettes de sup- pression du mouvement tourbillonnaire, on peut définir leur configuration d'orientation, dans la plupart des conditions de fonctionnement, comme étant la configuration nécessaire pour supprimer le mouvement tourbillonnaire produit par les ailettes de production de ce mouvement. Cependant, si on désire combiner le séparateur et le moteur à turbine à gaz en un ensemble intégral, on peut supprimer les ailettes directrices de l'entrée du compresseur. Dans ce cas, les
<Desc/Clms Page number 16>
ailettes de suppression du mouvement tourbillonnaire dqivent diriger l'écoulement d'air sur les ailettes rotatives du compresseur, comme le fopt généralement les ailettes direc- trices d'entrée.
On a représenté sur la figure 6 un système de séparation 60, qui cowporte des' ailettes réglables 61 d'entrée, pour établir ie mouvement tourbillonnaire, et des ailettes réglables de sortie 62 pour supprimer ce mouvement.
Les angles d'inclinaison de ces ailettes d'entrée et de sortie sont réglables, de manière à pouvoir faire varier l'inten- sité du mouvement tourbillonnaire produit et du mouvement tourbillonnaire supprimé, dans des conditions différentes de fonctionnement. Du fait'qu'il comporte des ailettes ré- glables de production et de suppression du mouvement tour- billonnaire, le système de séparation 60 est capable d'effec- tuer une séparation efficace des matières étrangères dans une marge beaucoup plus étendue de conditions de fonctionnement, que si ses ailettes n'étaient pas réglables.
De plus, si on règle les ailettes 61 et 62 de manière que l'écoulement d'air ne reçoive aucun mouvement tourbillonnaire, on peut faire fonctionner efficacement le moteur à turbine à gaz avec des pertes minimales, quand la fonction de séparation des matières étrangères est jugée non nécessaire, par exemple quand le moteur fonctionne à de grandes altitudes, où il n'y a pas de matières étrangères dans l'atmosphère.
Si on se réfère de nouveau à la figure 6, on y voit un séparateur 63, installé immédiatement en aval des ailettes
61 d'entrée de la zone tourbillonnaire; ce séparateur est du type décrit dans la demande de brevet déjà citée en référence ; bien qu'il soit extrêmement efficace pour éliminer de petites particules de matières étrangères, un faible pourcentage de ces particules peut cependant ne,pas passer
<Desc/Clms Page number 17>
dans la fente 64. La grande majorité des particules de ce faible pourcentage se concentre naturellement à la périphérie extérieure du canal axial 65- Pour empêcher ces particules d'atteindre le compresseur,du moteur associé à turbine à gaz, on peut installer en aval du séparateur 63 un séparateur 66 conforme à la présente invention.
Ce séparateur 66 est identique sous tous les rapports, au'point de vue construction et fonctionnement, à celui qui a été décrit plus haut en se référant aux figures 1 et 2.. '
D'après ce qui précède, on voit que le séparateur perfectionné à écoulement axial, conforme à la présente invention, est extrêmement efficace pour éliminer d'un cou- rant fluide de petites particules de macères étrangères, sans causer des partes excessives de pression dans le cou- rant et sans réduire excessivement l'écoulement d'air, quand le séparateur est utilisé dans un moteur à turbine à gaz.
Le séparateur conforme à la présente invention n'est pas seulement extrêmement efficace ; il est aussi léger, compact et convient donc particulièrement pour les avions, D'autre part, puisque ce séparateur ne comporte aucune partie tour- nante et ne fonetienne qu'à la température ambiante il est relativement peu compliqué, et peut être fabriqué avec des matériaux ne possédant pas des qualités particulières pour résister aux températures élevées. Il en résulte que ce séparateur est un dispositif relativement peu coûteux, au point de vue fabrication et entretien*
On a représenté et décrit des modes de réalisa- tion préférés de l'invention, mais il est bien entendu qu'on peut leur apporter des modifications variées, sans sortir pour cela du domaine de l'invention.
<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 fluid streams; more particularly, it relates to axial flow separators comprising an improved device for collecting and removing foreign matter more efficiently. The present invention is particularly well suited to installations on board airplanes, where it is desired to eliminate from the air flow, feeding a gas turbine engine, any foreign matter which may be present therein, such as for example sand. , dust and water.
Gas turbine aircraft engines are particularly susceptible to damage from foreign objects introduced into their air inlet nozzles. This problem has been most acute in the past with relatively large foreign objects, such as stones, gravel, birds, hail, etc., which could instantly cause significant damage, when they got into those engines. With the development of helicopters, powered by gas turbines, and other vertical take-off and landing aircraft, the danger of small particles of foreign matter, such as sand, dust, and water has become increasingly common. larger mainly due to. conditions of use of these aircraft.
A vertical take-off and landing type aircraft may be useful in areas where there is no ordinary aerodrome, for example in combat areas or in other isolated areas. Helicopters and other take-off and landing aircraft
<Desc / Clms Page number 3>
verticals are also particularly suitable for certain missions at low altitude, on land or at sea; these missions include close combat support, search, rescue, and anti-submarine warfare.
Under these and other like conditions, large amounts of small foreign bodies, such as, for example, sand and dust particles, as well as water droplets, can be entrained in the exhaust. air supplying a gas turbine engine. These particles, which individually can exert only a reduced effect on the engine, are capable, on the other hand, of producing the very important damage in the. motor, when they are introduced in large quantities into it.
For example, the engine of a helicopter flying at low altitude in a desert region has been found to lose performance rapidly due to erosion of the compressor and turbine fins by foreign particles at high speed. In addition to erosion, foreign matter, especially salt water, which is introduced into the engine in this way, can quickly cause destructive corrosion.
EMI3.1
It is therefore di'3ae to carry out a device to remove the air stream from the particles of cable, dust and water drops. before the air flow got into the motor. Afraid that the chosen separator,
EMI3.2
in order to complete this 1:
enct1oa, that is to say eatl8! "ai.8SDt. it must obviously be able to remove ..ff'1e.aC8llent from 3.xaoand air the unwanted particles. High efficiency is particularly desirable for a separator, mounted on board a '' an aircraft equipped with a gas turbine engine, due to
<Desc / Clms Page number 4>
large amounts of air and therefore large amounts of foreign particles, which are absorbed by such an engine.
However, high separation efficiency is not the only characteristic required of a separator used on a gas turbine aircraft engine. Since the separator is part of the total power plant of an airplane, it must not affect the efficiency of this installation; in other words, the pressure losses in the air flow through the separator should be as small as possible. In addition, the separator must effectively remove foreign matter, without allowing extracted matter or ice, which may form on the extraction device during aircraft flight, to block the fluid flow channel. and thereby cause an undesirable reduction in the rate of air flow through the engine (and therefore an excessive pressure drop), together with a loss of power.
A sufficiently large reduction in the rate of the air flow can cause, not only a loss of power, but also engine failure as a result of severe conditions caused by excessive temperature in the combustion chambers and in the turbine. In addition, the splitter must be compact and light, since aircraft in general, and vertical take-off and landing aircraft in particular, are subject to very strict weight limitations. Finally, the separator must have the characteristics mentioned above, without being excessively complicated and also without being too expensive, from the point of view of manufacture and maintenance.
The main object of the invention is to provide a separator which is extremely effective in eliminating
<Desc / Clms Page number 5>
a fluid stream of foreign matter, and which does not produce significant pressure losses in the stream.
In an embodiment studied especially for a gas turbine engine, the separator, which is crossed by an axial channel, comprises a device, near its inlet, for imparting a vortex movement to a fluid stream, and a collection device. , placed downstream of this slide for producing the vortex movement. The collection device is formed by external walls, comprising a first annular wall and a second annular wall, this second wall being mounted in an ooaxial position with respect to the first wall.
The upstream end of the second aroi has a diameter substantially smaller than that of the corresponding part in the axial direction of the first wall, so as to define, between the first wall and the second wall, an annular extraction cavity having a fairly large radial dimension. As a result of the vortex movement imparted to the fluid stream, the particles of foreign matter are forced out and enter the extraction cavity. By means of a communication connecting the annular cavity to the axial channel, the fluid, entering the cavity with the foreign matter, can re-enter the main flow of the fluid.
A filter device is mounted in this communication to prevent foreign material from returning to the axial channel along with the fluid. If it is desired to completely or partially suppress the vortex movement of the fluid stream, after removal of the foreign matter, a device must be provided, downstream from the collection device, to suppress this movement.
In accordance with another characteristic of the in-
<Desc / Clms Page number 6>
Vantion, the first wall may diverge, in a truncated shape, downstream of the production fins of the vortex movement, or have another characteristic contour such that it constitutes a focusing wall, which directs the materials into the annular extraction cavity. foreign coming to strike it, ¯ According to another characteristic of the invention, the collection device can be used in the form of elements arranged in parallel or.
to be combined with another separation device, In this respect, this collection device is particularly suitable for being combined with the new separator device which has been described in a patent application filed in the United States of America on March 29. 1965 under the title of "Axial Flow Separator" Axial Flow Separator),
Also according to 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 different conditions, including conditions not requiring any separation.
On the attached drawing:
FIG. 1 shows in section a gas turbine engine of the "turbine shaft" type, which comprises a separator according to the invention;
FIG. 2 represents in perspective and in partial section the separator of FIG. 1;
FIG. 3 is a section through a separator according to the invention, in which one of the walls is frustoconical so as to form a focusing wall;
Figure 4 is a view taken on line 4-4 of Figure 3;
Figure 5 is a view similar to Figure 3, but
<Desc / Clms Page number 7>
represent another type of focusing wall;
FIG. 6 represents a separator according to the invention, but used in combination with another type of separator.
FIG. 1 shows a gas turbine power plant 10, which comprises an engine 11 of the "turbine shaft" type and an axial flow separator 12, according to the invention. The motor 11 comprises successively, following the axial direction, a compressor 13, an annular combustion chamber 14, a gas production turbine 15 for driving the compressor 13, and a power turbine 16 driving a shaft. output 17. The motor 11 is particularly suitable for a helicopter, the rotor (not shown) of which can be driven by the output shaft 17 and through a suitable speed reducer 17 '.
From reading the present description, it will become obvious to technicians that the separator can be used with turbojets and turboprop engines, as well as with power turbine engines driving a shaft, since it is designed primarily for all purposes. types of turbine engines.
As can be seen in FIGS. 1 and 2, separator 12 is a static element having no moving part. This separator comprises an outer casing 20 and an inner cowling 21, which define between them an axial annular channel 22, comprising respectively at its opposite ends an annular inlet 23 and an annular outlet 24; this outlet communicates with the inlet guide fins 18 of the compressor. A detailed circumferential row of guiding, radial and spaced 25 is mounted near
<Desc / Clms Page number 8>
from entrance 23; these fins 25 have a desired orientation configuration, which will now be described.
Another circumferential row of spaced radial fins 26 is installed near outlet 24; these fins 26 also have a required configuration. Between the fins 25 on the one hand and the fins 26 on the other hand, there is a collection device, which comprises a first wall 27 and a second wall 28; the first wall 27, in the embodiment shown, consists of a cylindrical part of the outer casing 20; this part is intermediate between the guide fins 25 and a circumferential flange 29, which serves to fix the downstream end of the first. wall 27 on the rear part 30 of the housing 20.
The second wall 28 is a cylindrical member mounted in a coaxial position with the first wall? and relative to the axis of the repairer; this wall 28 is supported on the first wall 27 by means of supports 35; its upstream end is located downstream of the guide vanes 25, at a certain axial distance therefrom, as will be explained in detail a little later. The second wall 28 has a substantially smaller diameter than that of the first wall 27. As a result, an annular extraction cavity 31 of significant radial dimension is defined between the two walls 27. and 28. The cavity 31 thus comprises a! annular inlet 32 at its upstream end and an annular outlet 33 at its downstream end.
The inlet 32 and the outlet 33 are defined, between the first wall 27 and the second wall 28, so as to provide fluid communication between the annular channel
22 and. the cavity 31. To pocket the particles of foreign matter, which have entered the cavity 31 as will be explained later, to re-enter the
<Desc / Clms Page number 9>
channel 22 passing through the outlet 33, an annular filter 34 connects the first wall 27 and the second wall 28 to the downstream end of the second wall. So that the overall efficiency of the entire power plant is not reduced, the annular filter 34 must produce only a low pressure drop; this filter can for example be formed by means of a porous material in the form of a foam.
Technicians will easily imagine other materials that may be suitable for constituting this filter,
During the operation of the engine 11, the low pressure zone, existing at the inlet of the compressor 13, produces a flow of high speed air through the annular channel 22. As the air passes over the fixed fins directly. - trices 25, it rotates in an arc of a circle so that it has, downstream of the fins 25, both an axial speed and an oblique speed with respect to the axis; the fins are said to impart a "vortex" motion to the fluid current.
Small particles of foreign matter, which are entrained in the air flow, are also subjected to a change of direction; it is mainly particles of relatively small mass which change direction and which are entrained together with the swirling air. In order for particles of larger mass to also change direction under the action of the guide fins, it may be desirable to circumferentially overlap adjacent fins so that a particle cannot pass axially between. two adjacent fins, without hitting a fin and therefore without changing direction.
A particle, entrained in the air current and changing direction, has both tangential velocity and
<Desc / Clms Page number 10>
axial velocity, downstream of the guide fins 25. In theory, a particle leaving the fins 25 with a tangential velocity and an axial velocity, this particle being subjected to no external force, follows a rectilinear path to the outer periphery. of the channel 22, that is to say up to a point on this periphery situated downstream of the fins. In practice however, the air swirls. naire exerts a significant effect on the trajectory of this particle. Its actual trajectory can be roughly compared to that of a propeller whose diameter increases in the downstream direction.
In the preferred embodiment of the present invention, the guide fins' 25 have a configuration, which forces the entrained foreign material to reach the outer periphery of the channel 22 upstream of the second wall, and then to flow directly. in the annular cavity 31 passing through the inlet 32 or else to strike the first wall 27 and rebound therefrom into the interior of the cavity 31. When the particles have entered the cavity 31 the annular filter 34 prevents them from returning to the axial channel 22. The particles are thus collected in the cavity 31, where they remain until the motor 11 stops.
When the engine is not running, the particles can be removed through a cleaning orifice 35, by means of a suitable device, for example a flexible suction line (not shown) which is introduced through this. orifice. It is now obvious to the technicians that the volume of the cavity 31 must be sufficient to contain all the particles which may present themselves during the operation of the engine; assuming the most unfavorable conditions. Consequently,
<Desc / Clms Page number 11>
the second wall 28 must have a sufficient axial length to achieve the necessary volume.
The maker of a particular separator according to the invention easily finds this length for specified conditions of use.
Under certain operating conditions, the volume of the particles collected in the cavity 31 may be sufficient to block the flow of air through the annular filter 34. Likewise, ice may form, under particularly unfavorable atmospheric conditions, and can block the flow of air from the cavity 31 into the axial channel. Although neither of these two situations is desirable, the channel 22 is not completely blocked, since the internal part of the channel between the internal cowling 21 and the second wall 28, is still open and allows the flow of water. the air.
As a result, even have the filter. stopper 34 is blocked, either by foreign particles or by ice, a sufficient amount of air can still reach the engine to maintain adequate power thereof and to prevent severe overheating of the engine.
As noted above, the first wall 27 is fixed to the rear part 30 of the casing 20 at the location of a collar 29. If the separator 12 is disassembled at the location of this dollerette, it is easy to remove the annular filter 34 to check, repair or replace it. It is also naturally easy to clean the cavity 31 in this way.
In the patent application cited above by reference, the use of a divergent focusing wall, for directing foreign particles into a collecting device, which is different from that according to
<Desc / Clms Page number 12>
the present invention. In order to understand the device of this patent application, reference will be made to the latter and also to FIG. 5 of the present drawing, in which the separator according to the present invention is shown in combination with the separator according to said. patent application. However, the present invention can also be used with a focusing wall of the type described in said patent application.
We see for example in Figure 3 a separator 40, which is substantially similar to that shown in Figures 1 and 2, in that it comprises a casing 41, an inner cowling 42 defining between itself and the casing 41 an axial channel 43, inlet fins 44 for producing vortex movement, a first wall 45, a second cylindrical wall 46, and outlet fins 47 for suppressing the vortex movement. However, instead of being cylindrical, the wall 45 is frustoconical so as to constitute a focusing wall situated upstream of the second wall 46 and intended to direct the particles which strike it into an extraction cavity 49.
While a fairly large part of the particles flow directly into the extraction cavity 49, formed between the walls 45 and 46, many particles strike the divergent surface of the first wall 45 and bounce off this. area. The degree of divergence of this surface is chosen so. that the particles, bouncing off the first wall 45, enter the annular cavity 49, as seen in FIG. 3, a dashed line of which represents the trajectory of a typical particle. Stop filter 50 differs from filter 34 in that it is pleated, as seen in Figure 4.
This pleated filter 50 has certain advantages.
<Desc / Clms Page number 13>
floors, because dust and other particles of foreign matter can be retained in the folds of this filter.
As a result, the particles are less likely to be dislodged and fall into the main channel 43 when the separator 40 is not in operation. On the other hand, the way of the pleated filter provides a much larger filtering area in a limited space, so that the pressure drop is greatly reduced and the power; collection total is increased to a maximum value.
The separator, shown in Figure 5 ,. is similar in many ways to the separator of Figure 3; the * analogous elements of these two figures have therefore been designated by the same reference numbers, by simply adding the sign "prime" to the reference numbers of FIG. 5. Instead of having a frustoconical shape, the divergent wall 45 ' has a rounded longitudinal contour such that it also constitutes a focusing wall directing the particles which strike it into the cavity 49 '.
This wall 45 'has a contour making it possible to take advantage of the well known natural law, according to which an object striking a read surface is reflected at an angle equal to its angle of incidence. In a given separator, whose vortex air path is known, an optimal wall contour can be generated experimentally, since any particular portion of the wall surface is repeatedly struck by particles. traveling along substantially identical trajectories. The result is that there is, in each part of the wall, an optimum divergence, that is to say an optimum local inclination which makes it possible to direct into the annular extraction slot the particles striking said part of the wall. wall.
<Desc / Clms Page number 14>
The geometrical locus of all these local inclinations thus defines the optimal contour of the entire surface of the wall.
From the above, it is evident that one may desire different optimum contours of the wall under different conditions. Once we have understood the basic principles, we can generate, mathematically and experimentally, the optimal contours of the walls for various applications. To determine the necessary 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 the particles, their mass, speed, radial distribution, etc. The configuration of the fins, producing the vortex movement, is naturally also an important factor to be taken into account.
The previous analyzes, with regard to the separators of Figures 3 to 5, are quite crude, since it was assumed that the particles only move in two dimensions, while they actually swirl around the axes of the separators, in more of their axial movement and their radial movement. Nevertheless, it has been found that this type of analysis gives great precision in determining the optimum wall configurations under various operating conditions. It was pointed out at the outset of this application that the vortex producing and suppressing fins have a desired flow orientation pattern.
With regard to the vanes for producing the vortex motion, it has been explained that their configuration is such that the entrained particles reach the outer periphery.
<Desc / Clms Page number 15>
of the fluid channel upstream of the second wall. It is extremely difficult to define with greater precision the orientation configuration of these fins, since their configuration depends, to a great extent, on certain factors of the type discussed above 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, their speed, their radial distribution, etc.
Two configurations which must certainly be considered when studying in detail any separator according to the invention are the so-called "free vortex" configuration and the so-called "constant orientation" configuration. The free vortex configuration produces a high speed hub vortex and a low speed end vortex. With such a configuration, the hub vortex may be excessive, and the end vortex may be inadequate, even though the particles have only a small radial distance to travel at the ends.
In contrast, a constant orientation configuration can produce excessive vorticity at the ends and inadequate vortex at the hub. Accordingly, it is obvious to those skilled in the art that various paths of vortex motion may be necessary to obtain optimum separation results under different conditions.
With respect to the vortex movement suppressor fins, their orientation configuration, under most operating conditions, can be defined as the configuration necessary to suppress the vortex motion produced by the vortex production fins. this movement. However, if it is desired to combine the separator and the gas turbine engine into an integral assembly, the guide vanes of the compressor inlet can be omitted. In this case, the
<Desc / Clms Page number 16>
Vortex suppression vanes should direct the air flow over the rotating compressor vanes, as is usually the case with the inlet guide vanes.
There is shown in FIG. 6 a separation system 60 which carries adjustable inlet fins 61 to establish the vortex movement, and adjustable outlet fins 62 to suppress this movement.
The angles of inclination of these inlet and outlet fins are adjustable, so as to be able to vary the intensity of the vortex movement produced and the vortex movement suppressed, under different operating conditions. By incorporating adjustable fins for producing and suppressing vortex movement, the separation system 60 is capable of effecting efficient separation of foreign matter within a much wider range of environmental conditions. operation, only if its fins were not adjustable.
In addition, if the fins 61 and 62 are adjusted so that the air flow does not receive any vortex movement, the gas turbine engine can be effectively operated with minimal losses, when the function of separating foreign matter. is deemed unnecessary, for example when the engine is operating at high altitudes, where there is no foreign matter in the atmosphere.
If we refer again to Figure 6, we see a separator 63, installed immediately downstream of the fins
61 entrance to the vortex zone; this separator is of the type described in the patent application already cited by reference; although it is extremely effective at removing small particles of foreign matter, a small percentage of these particles may not, however, pass through
<Desc / Clms Page number 17>
in the slot 64. The vast majority of particles of this small percentage naturally concentrate on the outer periphery of the axial channel 65- To prevent these particles from reaching the compressor, of the engine associated with the gas turbine, it is possible to install downstream of the separator 63 a separator 66 according to the present invention.
This separator 66 is identical in all respects, au'point of view construction and operation, to that which has been described above with reference to Figures 1 and 2 .. '
From the foregoing it is seen that the improved axial flow separator according to the present invention is extremely effective in removing small particles of foreign macerates from a fluid stream without causing excessive pressure build-ups in the fluid stream. current and without excessively reducing the air flow, when the separator is used in a gas turbine engine.
The separator according to the present 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 part and only works at room temperature, it is relatively uncomplicated, and can be manufactured with materials that do not have special qualities to withstand high temperatures. As a result, this separator is a relatively inexpensive device, from the point of view of manufacture and maintenance *
Preferred embodiments of the invention have been shown and described, but it is understood that various modifications can be made to them without thereby departing from the scope of the invention.