CN106457101B - 过滤气体/颗粒流 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于过滤在流动通道(12)中输送流体或固体颗粒的气体流的装置。根据本发明，颗粒的速度足够高，能够借助惯性保持到形成在流动通道内部的回收通道(14)的开口(32)中，由于流动通道和回收通道中的完美流体的流动条件的特定配置，流中的气体绕过所述开口。

Description

过滤气体/颗粒流
技术领域
本发明涉及使得可以从包含气体/颗粒混合物的流中分离或过滤输送流体或固体颗粒(例如油)的气体流的装置和方法的一般领域。本发明的特殊应用领域是燃气涡轮机(涡轮喷气发动机和涡轮螺旋桨发动机)飞机发动机。
背景技术
燃气涡轮飞机发动机包括包含轴承和齿轮的外壳，其被润滑并用油冷却。为了防止油从外壳泄漏，密封件定位在旋转部件和外壳的固定部件之间，或甚至定位在旋转部件之间。在可用的各种密封件中，具有最长使用寿命的密封件是迷宫式密封件和刷式密封件，在第一种情形下部件之间没有接触，在第二种情形下接触非常有限。
为了提供设置有迷宫式密封件和刷式密封件的外壳的完美密封，空气流必须穿过密封件，这样的空气流通常在发动机压缩机的一个级处采样。使用这种方法还意味着提供将油与空气分离以在发动机外部排出的装置。这种装置-通常称为油分离器-本身是公知的。可以参考例如文献EP 1582703，US 4,981,502和US 6,033,450，其公开了各种类型的离心油分离器。
为了正常操作，离心式油分离器必须高速旋转，而空气和油的流流通并且通过泡沫过滤。这种油分离器的转速越高，产生的压降越高。由于外壳密封件被设计成以预定的压力差操作，当油分离器产生较高的压降时，必须增加压缩机处的采样压力。在较高压力下的这种采样对发动机性能是有害的，因为为了操作油分离器而采样的空气不参与涡轮发动机的推进，而且还用于冷却轴承和齿轮，因为在较高压力下的采样意味着空气在较高温度下被采样。此外，从压缩机的级获取的空气流取决于发动机运转速度，使得密封容器和油分离器的操作所需的最小空气流量基于发动机的慢的阶段(这种阶段对应于发动机运行速度，在此期间采样的空气流量最低)而流通。在发动机的其它操作阶段期间，并且更具体地在全速下，与足以提供对外壳的密封相比，流过外壳的空气流量过大，这导致过度消耗油所带来的所有的有害影响(污染，附加成本等)。
此外，由于必须在油分离器内被驱动的现有旋转部件，目前使用的离心油分离器在涡轮发动机中经受非常特定和限制性的集成。
内容
这里公开的本发明提供了对上述问题的有效、容易实施和经济的解决方案。
为此，本发明涉及一种用于过滤输送流体或固体颗粒的气体流的装置，例如油分离器，所述装置包括：
-流动通道，所述流动通道包括在下游方向上通过扩大部延伸的颈部；
-回收通道，所述回收通道具有布置在所述流动通道内部的上游开口，以便在所述颈部的下游延伸中与所述颈部基本对准，
其中所述回收通道和所述流动通道被配置为使得允许在所述回收通道中流通的流量小于允许在所述流动通道中流通的流量。
为了更好地理解回收通道的上游开口相对于流动通道的颈部的定位，这种上游开口可以被描述为定位成与面向颈部的上游相对，同时位于流动的加宽部分的内部渠道。
因此，上述过滤装置在其结构方面具有相对简单的设计，因为其不需要旋转部件。此外，它具有相对小的尺寸，因此例如可以比现有技术的离心油分离器更容易地集成到涡轮发动机中。此外，它不使用泡沫型过滤装置，这降低了所产生的压降。因此在涡轮发动机中不需要使用与在压缩机处的离心油分离器所需的那样高的取样压力。
优选的过滤装置的操作基于以下原理：含有空气和颗粒的流流过流动通道直到颈部；在颈部下游的流动通道的扩宽处，包含在流动中的空气的性能可以与完美流体的性能进行比较，主要绕过回收通道的上游开口并在流动中流动渠道。事实上，过滤装置已经配置成允许在回收通道中流通的流量小于在流动通道中流通的流量。这例如通过增加回收通道中的流动阻力或通过增加回收通道下游的静态压力或两者的组合而获得。
包含在流体中的流体或固体颗粒具有比空气高得多的密度，并且因此具有比空气高得多的惯性，并且由于颗粒的动量，这种惯性然后主要在颈部的几何延伸中流动(在其下游，尽管流动通道变宽)。因此，这样的颗粒不会绕过回收通道的上游开口(该回收通道被布置成与颈部的下游延伸基本对准)，而是相反地被引入其中。因此，流中包含的颗粒主要被引入回收通道中，而相同流中的空气主要绕过回收通道以便在流动通道中流动。
因此，优选地定义回收通道中允许的速率，以便专门匹配流中的颗粒的速率。因此，颗粒不会积聚在回收通道中，并且空气将在回收通道外部一体地流通。
在特定实施例中，流动通道的颈部的截面的尺寸小于或等于设置在其延伸中的回收通道的上游开口的截面的尺寸。颈部的截面也可以被认为包括在回收通道的上游开口的截面中。
所述流动通道在所述颈部的上游具有在下游方向的喉部。
由于该特征，为流动通道重建文丘里管的原理。在颈部的上游，流因而加速到颈部，以便使得颗粒在颈部出口处的动量高于在过滤装置中在其入口处的动量。在这种情况下，颗粒应当更有效地投射到回收通道的上游开口中，同时仍然太快而不能偏转。
优选颗粒抽吸装置(例如泵)布置在回收通道中。因此，适当地选择泵特性使得容易让允许的流在回收通道中流通，使得过滤装置被优化，如上所述。
有利地，流动通道的至少一部分绕回收通道同轴地形成在回收通道的上游开口的下游。在这种构造中，主要在回收通道的上游开口附近在流动通道中流通的流中的空气相对于颈部的上游不从路径偏转太多。由此减小了由过滤装置引起的压力损失。流动通道和回收通道也可以沿着并绕相同的纵向轴线形成。
根据一个特定实施例，在回收通道的上游开口下游，在流动通道中形成颗粒流动的障碍物。因此，保留在回收通道的上游开口的下游的流动通道中的颗粒被阻挡，并且提高了设备的过滤能力。
颗粒流动的障碍优选地包括跨过流动通道安装的缓冲器。这种缓冲器可以例如包括通过流动通道连续形成的壁，并且包括各自不对齐的开口。
此外，缓冲器可以包括中间壁，该中间壁包括用于在其上游表面上的颗粒流出的同心凹槽，并且与用于抽吸通往流动通道中的颗粒的管道相对地形成。这种溶液使得可以有效地排出缓冲液中的颗粒，并且颗粒不会不期望地积聚在过滤装置中。
本发明还涉及一种涡轮发动机，其包括布置在空气/油混合物引导回路中的如上所述的过滤装置。
在这种情况下，过滤装置可以定位在驱动涡轮发动机的附件的箱中，或者与涡轮发动机的壳体一起铸造，并且所述过滤装置：
-在所述流动通道的入口处，连接到轴承或齿轮润滑外壳，以及
-在回收通道的出口处，连接到油收集回路。
最后的解决方案特别有趣，因为它提供了最佳集成解决方案，其不需要额外的附接装置。然而，应当注意，在任何情况下，作为本专利申请的目的的过滤装置提供比现有技术的离心油分离器大得多且通用的集成能力。
对于过滤沿着路径输送流体或固体颗粒的气体流的方法，如这里所推荐的，从上面应该理解的是，
-在所述路径上放置有具有布置在流动通道内部的上游开口的回收通道)，所述流动通道包括在下游方向通过放大部延伸的颈部，使得所述上游开口沿所述颈部的下游延伸与所述颈部基本上对齐，
-并且允许在回收通道中流通的流量小于允许在流动通道中流通的流量。
附图说明
在参考附图阅读通过非限制性示例给出的以下描述时，将更好地理解本文公开的解决方案的各个方面以及其它细节、特征和优点，其中：
-图1是在此推荐的过滤装置的示意性截面图；
-图2是可以集成在所述过滤装置中的缓冲器中的开槽壁的示意性前视图；
-图3是图2所示的开槽壁的示意性截面侧视图；
-图4是涡轮发动机的示意图，其中可以结合在此推荐的过滤装置。
具体实施方式
首先参考图1，其示出了根据本发明的用于过滤流中的颗粒的装置10。这种装置就从包括空气和油滴的流中过滤油而言是特别有利的。
该装置包括两个通道12、14，其中一个12是流动通道，另一个14是用于为过滤目的回收的颗粒的通道。
回收通道14和流动通道12分别限定第一和第二校准通道或管状段，其中第一校准通道适于允许的流体流量小于第二校准通道允许的流体流量。
流动通道12在这里一体地形成，具有与圆形截面，并且沿着直轴线16延伸。然而，就装置操作而言，这种安排没有限制性目的，这意味着流动通道12的截面可以具有任何形状，并且其延伸可以不是线性的。
流动通道12包括上游开口18，其中以预定速率和速度引入空气和颗粒(无论是固体还是流体)流。在这种开口18的下游，流动通道12的区段20在下游方向上逐渐减小，即在下游方向上形成漏斗20。截面喉部直接向下游开口到流动通道的圆柱形部分22中，因此其具有比上游开口18的截面更窄的截面。最后的圆柱形部分22直接向下游通往通道部分24，通道部分24的截面向下游方向逐渐增加，即，其在下游方向上呈锥形。流动通道的这种锥形部分24在下游连接到圆柱形部分26，圆柱形部分26具有比被称为颈部22的圆柱形部分22更大的截面，该圆柱形部分位于漏斗形部分20和锥形部分20之间。在一些情况下，颈部22的长度可以变化，甚至省略。在图1所示的情况下，宽下游圆柱形部分26的下游端28设置有壁，并且连接到靠近该壁28定位的垂直排气通道30。
回收通道14(在这里所示的情形下是圆柱形的)在颈部22的下游与流动通道12同轴地布置，且布置在流动通道12内部。回收通道14的截面优选地大于颈部22的截面，并且小于流动通道12的宽的下游圆柱形部分26。回收通道14在其上游端32处开口，该上游开口32面向颈部22或与更上游的颈部22相对地形成。在图1中，上游开口32形成在流动通道12的锥形部分24上。回收通道14因此向下游方向且与流动通道12同轴地延伸，并且穿过流动通道12的下游端壁28。回收通道的下游端34被划分为隔室内，抽吸管道36在下游端34通向回收通道14。抽吸装置36在下游连接到调节抽吸速率的泵78。
形成缓冲器38的三个连续的横向壁40、42、44形成为穿过流动通道12，位于流动通道12的宽的下游圆柱形部分26处，在回收通道14的上游开口32的下游。上游和下游壁40、44都从流动通道12的壁向内延伸，并且每个在其中心具有圆柱形开口46，所述开口46在开口和回收通道14的壁之间留下内部圆柱形流动空间。另外，上游壁40的外部具有至少一个开口48。第二中间壁42从回收通道14的壁向外延伸，同时在其自身与流动通道12中的壁之间留下外部圆柱形流动空间。抽吸装置50通往与上述中间壁42相对的回收通道，所述中间壁42在上游横向壁40和下游横向壁44之间。这种抽吸装置50在下游连接到调节抽吸速率的泵80。缓冲器38也可以由多于三个横向壁组成，只要符合如上所示的壁的交替模式即可。
在操作中，包含空气和颗粒的流通过其上游开口18进入流动通道12。流在漏斗形部分20中加速并在具有流动通道12的最小截面的颈部22处达到其最大速度。在颈部22的出口处，在回收通道14的上游开口32所在的锥形部分24处，空气和流的颗粒具有不同的相应行为。
在颈部22出口处，空气表现得像完美的流体，并且部分地沿着流动通道12的延伸分流动并且部分地流入回收通道14中，并且这些通道的相应的压力降。通过这样选择泵78来配置参数，使得允许在回收通道14中流通的流速仅仅基本上等于流中的颗粒的流速，在任何情况下低于允许在流动通道12中位于回收通道14的上游开口32的下游流通的流速。因此，空气主要在流动通道12中相对于回收通道14向下游方向流动，并且通过下游排气通道30排出。
至于颗粒，它们具有符合常规固体力学的行为，因此显示惯性。当通过漏斗形部分20加速时，在颈部22出口处的颗粒的动量因此在其在颈部22出口处的运动方向的延伸中(即，在这里示出的情况下，在圆柱形延伸中)通过惯性驱动它们。因为回收通道14的上游开口32绕颈部22的这种圆柱形延伸形成，所以颗粒被引入回收通道14中。因此，该装置应构造成：使得颗粒具有足够的速度使得它们太快而不能被在回收通道14的上游开口32附近的空气偏转。由于回收通道14中允许的速率基本上与流中的颗粒的速率匹配，因此颗粒将流动进入回收通道14并被下游抽吸管道36抽吸。
当颗粒保留在回收通道的上游开口32下游的流动通道12中时，缓冲器38可拦截这样的颗粒，其将沉积在缓冲液的上游壁40和下游壁44之间，并且由抽吸装置50使用泵80抽吸。
应当注意，泵78和80可以是与抽吸装置36和50连接的相同的泵。设备的操作不因此受影响。
现在参考图2和图3，其更详细地示出缓冲器38的中间壁42。
中间壁42的上游面设置有同心的圆形凹槽52。另外，每个凹槽52外侧的环形壁42的部分比该凹槽内侧的环形壁的部分薄。在操作中，由该壁42拦截的颗粒因此例如通过重力沿着设备10的上部处的这种凹槽52沿周向流动到流动通道12和抽吸装置50的外侧，并且径向地到达位于装置的下部的抽吸装置50。
现在参考图4，其示出了涡轮发动机54，其中，可以集成过滤装置以满足上述操作约束。在下游方向上，涡轮发动机包括鼓风机56、低压压缩机58、中间壳体60、高压压缩机62、燃烧室64、高压涡轮机66和低压涡轮机68。进入涡轮发动机54的空气被分离成主空气流(A箭头)和二次空气流(B箭头)，所述主空气流在低压和高压压缩机58、62内部朝向燃烧室64流通，然后通过高压和低压涡轮66、68，所述二次空气流绕过压缩机、燃烧室和涡轮。
中间壳体60包括径向向外延伸的结构臂70。中间壳体60的臂70中的一个包含径向轴72，其内端通过一对斜面小齿轮连接到高压压缩机的驱动轴74。径向轴72的径向外端通过另一对斜面小齿轮连接到齿轮箱76的入口，齿轮箱76包括驱动多个附件设备的齿轮，所述附件设备例如是油泵、液压泵、燃料泵、起动器和发电机。上述设备的各种部件示出了在外壳中的若干轴承，其必须用油润滑并加压，如本专利申请开头所公开的。在润滑之后，需要对这种外壳的出口处的空气和油流进行过滤。
由于其结构简单性，过滤装置10可以集成在驱动附件的箱76处，或者与涡轮发动机的各种壳体一体形成，或者集成在涡轮发动机的驱动轴附近。这种装置可以容易地连接到润滑外壳的出口，以过滤出流的油。

Claims (11)

1.一种用于过滤输送流体或固体颗粒的气体流的装置(10)，所述装置包括：
-流动通道(12)，所述流动通道包括在下游方向上通过扩大部(24)延伸的颈部(22)；
-回收通道(14)，所述回收通道具有布置在所述流动通道(12)内部的上游开口(32)，以便在所述颈部的下游延伸中与所述颈部(22)基本对准，
其中所述回收通道(14)和所述流动通道(12)被配置为使得允许在所述回收通道中流通的流量小于允许在所述流动通道中流通的流量；其特征在于，在所述回收通道(14)的上游开口(32)的下游，在所述流动通道(12)中形成颗粒流动的障碍物(38)；颗粒流动的障碍物(38)包括横过所述流动通道(12)安装的缓冲器；所述缓冲器包括连续形成的穿过流动通道(12)的壁并包括各自不对齐的开口；并且所述壁包括中间壁(42)，所述中间壁形成为与通往流动通道(12)的用于抽吸颗粒的管道(50)相对。
2.根据权利要求1所述的过滤装置，其特征在于，所述流动通道(12)的颈部(22)的截面被包括在布置在所述颈部的延伸处的所述回收通道(14)的上游开口(32)的截面中。
3.根据权利要求1或2所述的过滤装置，其特征在于，所述流动通道(12)在所述颈部(22)的上游具有在下游方向的喉部(20)。
4.根据权利要求1或2所述的过滤装置，其特征在于，在所述回收通道(14)中布置有颗粒抽吸装置(36)。
5.根据权利要求4所述的过滤装置，其特征在于，所述颗粒抽吸装置(36)为泵(78)。
6.根据权利要求1或2所述的过滤装置，其特征在于，在所述回收通道的上游开口(32)的下游，所述流动通道(12)的至少一部分绕所述回收通道(14)同轴地形成。
7.根据权利要求1或2所述的过滤装置，其特征在于，所述中间壁包括用于在其上游面上的颗粒流出的同心凹槽(52)。
8.一种涡轮发动机(54)，其特征在于，其包括布置在空气/油混合物引导回路中的根据前述权利要求中任一项所述过滤装置(10)。
9.根据权利要求8所述的涡轮发动机(54)，其特征在于，所述涡轮发动机(54)为涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机。
10.根据权利要求8所述的涡轮发动机(54)，其特征在于，所述过滤装置定位在驱动所述涡轮发动机的附件(76)的箱中，或者与所述涡轮发动机的壳体一起铸造，并且所述过滤装置：
-在所述流动通道(12)的入口处连接到轴承或齿轮润滑外壳，以及
-在回收通道(14)的出口处连接到油收集回路。
11.一种用于过滤沿着路径输送流体或固体颗粒的气体流的方法，所述方法使得：
-在所述路径上放置有具有布置在流动通道(12)内部的上游开口(32)的回收通道(14)，所述流动通道包括在下游方向通过放大部(24)延伸的颈部(22)，使得所述上游开口(32)沿所述颈部的下游延伸与所述颈部(22)基本上对齐，
-并且允许在所述回收通道中流通的流量小于允许在所述流动通道中流通的流量；其特征在于，在所述回收通道(14)的上游开口(32)的下游，穿过流动通道(12)布置缓冲器，所述缓冲器包括连续形成的穿过流动通道(12)的壁并包括各自不对齐的开口，所述壁包括中间壁(42)，所述中间壁形成为与通往流动通道(12)的用于抽吸颗粒的管道(50)相对。
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