CN104379233B - 多层过滤介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于从空气流中除去颗粒的过滤介质(1)。所述过滤介质(1)包含多孔膜层(2)和具有下游表面(7)和上游表面(8)的预过滤层(3)，其中所述预过滤层(3)被布置成具有邻近所述多孔膜层(2)的上游侧的所述下游(7)表面。所述预过滤层(3)包含具有玻璃纤维(5)和合成纤维(4)的混合物的湿法铺设的复合材料介质。本发明还涉及过滤介质(1)在燃气涡轮中的用途。

Description

多层过滤介质
技术领域
本发明涉及用于从空气流中除去颗粒的过滤介质并且涉及此类过滤介质在燃气涡轮中的用途。
背景技术
用于例如发电的燃气涡轮通常通过在进气系统中提供的空气过滤器来保护。这些过滤器的目的是保护发动机以免残渣在压缩机阶段中在涡轮叶片上积累、污染。不需要的材料的此类型的积聚降低效率并且增加燃气涡轮的故障概率。不足的过滤性能还可以引起在解压阶段的发动机腐蚀(热端腐蚀)。在过去，常见的是使用以过滤级别F7-F9(EN779-2002)的过滤器，所述过滤器对于超过3μm的颗粒具有几乎100％的除去效率但对于0,4μm及以下尺寸的颗粒具有仅仅50％-75％的除去效率。然而，已经披露的是具有0,4μm以下的尺寸的颗粒对污染和热端腐蚀两者皆具有明显的影响并且这已经导致对更高过滤级别的过滤器的增加的需求。现在，使用过滤级别EPA11的过滤器对大部分渗透粒径(MPPS)的95％的除去效率或使用甚至EPA12对MPPS的99,5％的除去效率不是不同寻常的。这些高度有效的过滤器的问题是它们具有相对较高的压降。在新设备中，这可以通过使用较大的过滤面积以减少每面积单位的空气流来补偿。在现有的燃气涡轮中，这通常是不可以的，或至少因为成本的原因是不可行的，并且因此阻止使用更有效率的过滤器。新的材料允许高的过滤效率和低的压降的组合。材料的实例是膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)、超高分子量聚乙烯(UPE)的多孔膜或电纺(electro spun)的聚合物纤维的膜。这些类型的膜共同具有其是非常薄的并且具有伴随着细纤维的低纤维密度，因此产生大的纤维表面积，所述纤维表面积是获得高过滤效率而不限制空气流的关键参数。然而，这些薄膜易于损坏。另一个问题是由于颗粒在膜的上游表面上团聚而限制了空气的通路。膜通常具有在0,01mm和0,1mm之间的有效过滤厚度，而由纤维素或合成纤维制成的标准过滤器具有0,3mm-1mm的厚度。标准过滤器的较大的深度导致在较大体积内的颗粒捕获，使得由颗粒团聚造成的流动限制花费较长的时间来建立。这可以通过将预过滤层层压在膜的上游表面上来解决，所述预过滤层捕获大部分的较大颗粒(>3μm)，因此减少在膜上的颗粒团聚。EP-1674144B1公开包含燃气涡轮和具有带有多孔聚合物膜和深度过滤层的过滤介质的过滤器的系统，所述深度过滤层包含带静电荷的聚合物纤维。深度过滤层的静电带电被进行以增强过滤性能。这样的解决方案具有大量的缺点，最值得注意的是深度过滤层的静电荷仅仅是临时的以致过滤效率将随着时间而变小的事实。
发明内容
本发明的目的是提供改进的过滤介质，所述改进的过滤介质消除或至少减少以上提到的缺点以及其他缺点。这个目的和其他目的通过如以下方面中界定的根据本发明的过滤介质来实现。本发明的优选的实施方案在下文中界定。
因此，根据本发明的一方面，提供了用于从空气流中除去颗粒的多层过滤介质，所述过滤介质包含多孔膜层和具有下游表面和上游表面的预过滤层。预过滤层被布置成具有邻近多孔膜层的上游侧的下游表面。预过滤层包含具有玻璃纤维和合成纤维的混合物的湿法铺设的复合材料介质。这样的构造给其带来大量的优点，比如高结构稳定性和在湿的环境中的良好的特性。被用来产生预过滤层的湿法铺设工艺防止任何静电荷在预过滤介质中积累，即预过滤介质固有地不带静电荷，使得过滤效率将不因为静电荷随时间的损失而降低。
根据本发明的过滤介质的实施方案，多孔膜层被层压到预过滤层。将两个层层压提供层的可靠的相互连接。
根据本发明的过滤介质的实施方案，支撑层被层压到多孔膜层的下游侧。此类支撑层将提供另外的结构稳定性并且可以包含湿法铺设的纤维素层、合成纤维层或玻璃纤维层或其组合。纺粘的(spun bound)、空气铺设的(spun bound)或机织的材料也是可预期的。如果可能损坏膜的纤维例如玻璃纤维被用于支撑层，还可以使用另外的中间层以保护膜。
根据本发明的过滤介质的实施方案，在预过滤层的下游表面处的纤维中的大部分是合成纤维。这具有保护膜以免被通常锐利的玻璃纤维刺穿的优点。
根据本发明的过滤介质的实施方案，在平行于所述下游表面的给定的平面中的合成纤维的量与在所述平面中的纤维的总量的比率从预过滤层的下游表面向所述预过滤层的中心减小。这产生了保护膜不受玻璃纤维影响并且还保护通常脆性的玻璃纤维以免在操作预过滤介质期间损坏的预过滤层。
根据本发明的过滤介质的实施方案，在预过滤层的下游表面处的合成纤维的量与在预过滤层的下游表面处的纤维的总量的比率大于0,7。
根据本发明的过滤介质的实施方案，在预过滤层的上游表面处的合成纤维的量与在预过滤层的上游表面处的纤维的总量的比率大于0,5。通过提供具有大部分合成纤维的外层，其将具有增强的表面耐划伤性并且保护玻璃纤维以免在操作预过滤介质期间损坏。
根据本发明的过滤介质的实施方案，在平行于所述下游表面的居中位于预过滤层的下游表面和上游表面之间的平面中，合成纤维的量与纤维的总量的比率小于0,5，并且玻璃纤维的量与纤维的总量的比率大于0,5。在预过滤介质的中心处玻璃纤维被保护以免损坏并且可以提供优良的机械过滤性能。
根据本发明的过滤介质的实施方案，预过滤层的玻璃纤维具有从0,01μm到50μm、优选地0,1μm和0,5μm之间的直径。
根据本发明的过滤介质的实施方案，预过滤层的合成纤维具有从0,01μm到50μm、优选地0,5μm和50μm之间的直径。
根据本发明的过滤介质的实施方案，预过滤层是不带静电荷的。带静电荷的过滤介质通常具有非常良好的初始过滤特性。然而，这些特性随着静电荷随时间的减少而减弱。通过提供不带静电荷的预过滤介质，获得在其整个寿命期间具有更一致的过滤性质的预过滤介质。在制造预过滤层期间和/或在制造多层过滤介质期间还可以加入放电步骤。这进一步增强根据本发明的过滤器的一致的特性。
根据本发明的过滤介质的实施方案，多孔膜层包括ePTFE膜。ePTFE已经被使用很长时间并且已经证明包含必要的特性，例如当过滤介质被打褶时以防形成孔的强度；透气性；颗粒过滤效率以及操作特性。
根据本发明的过滤介质的实施方案，多孔膜层包括超高分子量聚乙烯膜(UPE)。UPE已经被示出构成ePTFE的适当的备选物。
根据本发明的过滤介质的实施方案，多孔膜层包括纺粘聚合物纤维膜。由纺粘聚合物纤维制成的膜也已经被示出构成ePTFE的适当的备选物。
根据本发明的另一个方面，描述了本发明的多层过滤介质用于在燃气涡轮进气系统中从空气流中除去颗粒的用途。
本发明的另外的目的和优点将借助于例示性实施方案在下文中被讨论。当关于以下详细描述、所附权利要求以及附图考虑时，本发明的这些和其他的特征、方面以及优点将被更充分地理解。
附图说明
现在，将更详细地并且参考附图描述本发明，附图中：
图1是根据本发明的过滤介质的第一实施方案的示意性横截面。
图2是根据本发明的过滤介质的第二实施方案的示意性横截面。
图3是根据本发明的过滤介质的第三实施方案的示意性横截面。
图4是根据本发明的第一实施方案的过滤介质的纤维含量分布的示意性图示。
具体实施方式
在根据本发明的过滤介质的第一实施方案中，如图1中所示，过滤介质1包含多孔膜层2。膜层2可以包含ePTFE膜或UPE膜或由来自多种聚合物的纤维制成的电纺膜。膜2被层压到预过滤介质3。这样的预过滤介质3被意图保护膜2以免机械损坏并且防止较大的颗粒到达膜的上游表面，因此防止或至少减少膜2的堵塞。预过滤层包含下游表面7，预过滤层2用所述下游表面7层压到膜2的上游表面。预过滤层2包含被划分成两个稍微重叠的层9和层10的两种类型的纤维。上游层10包含大部分的玻璃纤维5并且下游层9包含大部分的合成纤维4。应该注意到的是，这些层没有被充分界定的边界划分，相反它们在某种程度上彼此重叠。这是因为按照湿法铺设工艺制造预过滤层以致上面层的纤维将达到下面层之内的事实。这种制造工艺还可以被用于产生其中纤维分布从预过滤介质中的一点到另一点线性变化的预过滤介质。例如，将可以产生如图4中描述的过滤介质，其中在下游表面7处，合成纤维4的含量构成在下游表面处的纤维的总量的100％，并且其中合成纤维4的含量向着预过滤器3的上游表面8线性下降，其中合成纤维4构成在上游表面8处的纤维的总量的0％。玻璃纤维5的量遵循相反的线性分布，即在预过滤器3的下游7表面处0％和在预过滤器3的上游表面8处100％。这是理论上的积累，但这可以用湿法铺设工艺非常充分地实现。图1中公开的实施方案具有包含大部分玻璃纤维5的上游层10和包含大部分合成纤维4的下游层9之间的稍微更清楚的边界。但玻璃纤维5和合成纤维4的某些混合将发生在混合区11中。当然，大量不同的结构是可预期的，例如在预过滤层的整个厚度中具有50％-50％的玻璃纤维和合成纤维的绝对混合物、任何数目的分别具有任何适当的厚度的玻璃纤维和合成纤维的分开层、或具有玻璃纤维和合成纤维的不同的厚度和混合物和分布的不同的层。一种可能的结构被示出在图2中，其中膜2被层压到预过滤层3的下游表面7。预过滤层3包含合成纤维的下层9和合成纤维的上层9’以及被插入其间的玻璃纤维的中间层10。提供合成纤维的两种层9、9’产生这样的预过滤层，所述预过滤层防止由层10的锐利的玻璃纤维5对膜的损坏同时保护所述玻璃纤维5以免在例如操作过滤介质1期间损坏。合成纤维4提供良好的结构行为，在湿的条件下也是这样，并且提供良好的颗粒保留，同时玻璃纤维的插入层10确保良好的机械过滤性质而不必依赖纤维的静电荷。
图3示出对应图1的过滤介质的过滤介质，其中支撑层6已经被提供在膜2的下游表面处。这样的支撑层6向过滤介质1提供另外的结构稳定性并且用来保护膜2的下游表面以免例如在打褶期间或在将打褶的过滤介质1装配到框架或类似物中期间损坏。支撑层6可以包含大量不同的材料比如湿法铺设的纤维素层、合成纤维层或玻璃纤维层或其组合。纺粘的、空气铺设的或机织的材料也是可预期的。此类支撑层6的厚度在0,1mm-10mm之间、通常在0,1mm-2mm之间的范围内。此外，如果纤维例如玻璃纤维被用于可以损坏膜的支撑层，还可以使用由例如织物制成的中间层以保护膜(未在图中示出)。当然，可以实现使用支撑层6与本文提到的任何类型的预过滤层比如图2和4中描述的预过滤层组合。
最后，意识到的是，使用具有玻璃纤维和合成纤维的组合的预过滤层使用两种纤维类型的优点。因此，合成纤维向过滤器提供良好的颗粒保留性质和良好的结构稳定性，在湿润的环境中也是这样，并且防止例如打褶的过滤介质的塌陷。当在湿润的环境中使用具有仅仅细纤维比如玻璃纤维或非常高份额的细纤维比如玻璃纤维的过滤器时，塌陷有时可以发生。这种类型的塌陷将引起过滤介质的永久变形，引起邻近的褶状物彼此接触，从而减少空气流动并且增加经过过滤器的压降。在另一方面，玻璃纤维具有比合成纤维更好的颗粒分离性质。根据本发明的预过滤器的结构产生3维的不均匀结构(heterogeneousstructure)，所述不均匀结构使收集的颗粒分散在预过滤器的整个深度上以便减少压降随时间的增加。此外，已经示出的是，当涉及到过滤特性时，当这种预过滤层在其中经受高含盐量的环境例如离岸燃气涡轮中使用时，这种预过滤层具有超过现有技术的优点。在这种类型的环境中过滤器暴露于包含悬浮在空气中的盐颗粒的气溶胶。盐颗粒被吸附并且被预过滤层的纤维保留。此外，溶解在空气中的水滴中的盐颗粒将沉积在预过滤介质的纤维上，并且当水最终蒸发时盐颗粒将停留在预过滤层的纤维的表面上。盐颗粒将随着变化的空气湿度收缩和膨胀。在低于大约40％的相对湿度下，盐颗粒将不进一步收缩，但随着增加湿度，盐颗粒将膨胀直到与其干燥的尺寸相比的5-10倍。因此，空气湿度的变化将引起经过过滤器的压降大大地变化。已经进行其中本发明的预过滤介质已经经受盐以及接着的湿润和干燥的循环并且其中经过过滤器的压降已经被监测的实验室测试。这些测试已经示出在接着的湿润和干燥的循环之后压降实际上将比湿润之前更低。因此，根据本发明的过滤介质将这些纤维类型中最好的纤维类型组合并且依赖机械过滤而不是静电过滤。与依赖带静电荷的纤维相比，这提供一致的过滤特性。本发明提供强的、耐撕裂的、长使用寿命的、良好的湿度特性的并且在盐环境中具有优良特性的过滤器。本发明将低压降与高过滤效率组合并且使得能够层压到膜而不损坏膜。

Claims (16)

1.用于从空气流中除去颗粒的多层过滤介质(1)，所述过滤介质(1)包含多孔膜层(2)和具有下游表面(7)和上游表面(8)的预过滤层(3)，其中所述预过滤层(3)被布置成具有邻近所述多孔膜层(2)的上游侧的所述下游表面(7)，并且其中所述预过滤层(3)包含具有玻璃纤维(5)和合成纤维(4)的混合物的湿法铺设的复合材料介质，其中在所述预过滤层的所述下游表面(7)处的纤维中的大部分是合成纤维(4)。
2.根据权利要求1所述的多层过滤介质(1)，其中所述多孔膜层(2)被层压到所述预过滤层(3)。
3.根据权利要求1所述的多层过滤介质(1)，其中支撑层(6)被层压到所述多孔膜层(2)的下游侧。
4.根据权利要求1所述的多层过滤介质(1)，其中在平行于所述下游表面(7)的给定的平面中的合成纤维(4)的量与在所述给定的平面中的纤维的总量的比率从所述预过滤层(3)的所述下游表面(7)向所述预过滤层(3)的中心减小。
5.根据权利要求1所述的多层过滤介质(1)，其中在所述预过滤层(3)的所述下游表面(7)处的合成纤维(4)的量与在所述预过滤层(3)的所述下游表面(7)处的纤维的总量的比率大于0.7。
6.根据权利要求1所述的多层过滤介质(1)，其中在所述预过滤层(3)的所述上游表面(8)处的合成纤维(4)的量与在所述预过滤层(3)的所述上游表面(8)处的纤维的总量的比率大于0.5。
7.根据权利要求4所述的多层过滤介质(1)，其中，在平行于所述下游表面(7)的居中位于所述预过滤层(3)的所述下游表面(7)和所述上游表面(8)之间的平面中，合成纤维(4)的量与纤维的总量的比率小于0.5，并且玻璃纤维(5)的量与纤维的总量的比率大于0.5。
8.根据权利要求1所述的多层过滤介质(1)，其中所述预过滤层(3)的所述玻璃纤维(5)具有在0.01μm和50μm之间的直径。
9.根据权利要求1所述的多层过滤介质(1)，其中所述预过滤层(3)的所述合成纤维(4)具有在0.01μm和50μm之间的直径。
10.根据权利要求1所述的多层过滤介质(1)，其中所述预过滤层(3)是不带静电荷的。
11.根据权利要求1所述的多层过滤介质(1)，其中所述多孔膜层(2)包括ePTFE膜。
12.根据权利要求1所述的多层过滤介质(1)，其中所述多孔膜层(2)包括超高分子量聚乙烯膜。
13.根据权利要求1所述的多层过滤介质(1)，其中所述多孔膜层(2)包括纺粘聚合物纤维膜。
14.根据权利要求8所述的多层过滤介质(1)，其中所述预过滤层(3)的所述玻璃纤维(5)具有在0.1μm和0.5μm之间的直径。
15.根据权利要求9所述的层过滤介质(1)，其中所述预过滤层(3)的所述合成纤维(4)具有在0.5μm和50μm之间的直径。
16.根据权利要求1到15中任一项所述的多层过滤介质(1)用于在燃气涡轮进气系统中从空气流中除去颗粒的用途。
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