DE2120632A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Ent gasen von Flüssigkeiten - Google Patents

Description

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Dr. Ing. H. Msqendank ο 1 ο η c ο ο

Dipl. Phys. VV. Schmitz

8 München iZ, f4azertstr.23 Tel. 5 3805 86

British Aircraft Corporation
Limited

loo Pall Mall

London, S.W.l /England 27. April 1971

Anwaltsakte M-1551

Vorrichtung und Verfahren zum Entgasen von Flüssigkeiten

Die Erfindung bezieht sich auf das Entgasen von Flüssigkeiten, und insbesondere auf die Absonderung von Luft aus dem in Luftfahrzeug-Brennstoff tanks befindlichen Brennstoff.

Wenn ein flüssiger Brennstoff (beispielsweise Flugkerosin) der Atmosphäre ausgesetzt wird, löst sich in ihm Luft bis zu 15VoI.-%, Das Gleichgewichtsverhältnis des gelösten Luftvolumens zum Volumen des reinen Brennstoffs bleibt unabhängig vom Umgebungsdruck konstant; die Menge der gelösten Luft ändert sich natürlich entsprechend dem Umgebungsdruck. Wenn daher Brennstoff, der der Atmosphäre ausgesetzt worden war, in einen Luftfahrzeugtank gefüllt und in größere Höhen gebracht wird (also einem verringerten Druck ausgesetzt wird) ,ergeben sich zwei mögliche Schwierigkeiten:

1) Die gelöste Luft kann durch einen Anstoßvorgang, beispielsweise die Flugzeugvibration oder das plötzliche Einschalten einer Brennstoffpumpe plötzlich freigesetzt werden. Bei einer

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Flughöhe von beispielsweise 18*ooo m ist der Umgebungsdruck so gering, daß die freigesetzte Luft etwa 2lo% des Brennstoffvolumens ausmachen kann, was trotz einer Entlüftung des Tanks zur Atmosphäre zu einer vorübergehenden starken Druckerhöhung im Tank führen kann. Dies kann zu einer Beschädigung des Tanks oder zumindest zu einem Brennstoffverlust des Tanks führen, da der Brennstoff durch die überschüssige, zur Atmosphäre entlüftete Luft herausgedrückt und/oder mitgerissen wird.

W 2) Es kann ein örtliches Absondern der gelösten Luft in den Brennstoffpumpen auftreten, so daß der Brennstoff zumindest teilweise an einem Einströmen in das Pumpenlaufrad gehindert wird. Die Pumpe vermag somit nicht mehr zufriedenstellend zu arbeiten.

Erfindungsgemäß soll das Auftreten dieser beiden Schwierigkeiten verhindert und eine fortschrittliche Absonderung der im Brennstoff gelösten Luft erreicht werden.

k Zu diesem Zweck schafft die Erfindung ein Verfahren zum Absondern von Gasen aus einem Flüssxgkeitvolumen, in dem die Gase bei einem ersten Umgebungsdruck gelöst wurden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Flüssigkeit einem zweiten Umgebungsdruck mit einem niedrigeren Absolutwert als der des ersten Umgebungsdrucks ausgesetzt, eine Teilmenge der Flüssigkeit dem Flüssxgkeitsvolumen entnommen, zumindest ein Bruchteil der in der entnommenen Flüssigkeits-Teilmenge gelösten Gase in Form von Blasen freigesetzt und die die Blasen enthaltende Flüssigkeits-Teilmenge in das übrige Flüssxgkeitsvolumen derart ausgefördert wird, daß die Gasblasen durch das Flüssxgkeitsvolumen wandern und dadurch die darin ge-

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lösten Gase zumindest teilweise freisetzen.

Vorzugsweise wird dafür gesorgt, daß die entnommene Flüssigkeits-Teilmenge zumindest einen Bruchteil der darin gelösten Gase in Form von Blasen im wesentlichen zum gleichen Zeitpunkt freisetzt, zu dem diese Flüssigkeit in das übrige Flüssigkeitsvolumen ausgefördert wird. Weiterhin hält dieses Ausfördern vorzugsweise über eine Zeitdauer an, während der eine Blasenbildung auftritt.

Die aus dem Flüssigkeitsvolumen entnommene Teilmenge hat keinen festen Teilwert.

Die Erfindung läßt sich auf sämtliche Flüssigkeiten anwenden, jedoch ist die Flüssigkeit vorzugsweise ein Brennstoff und das gelöste Gas ist vorzugsweise Luft. Die Gleichgewichtsverhältnisse der gelösten Luftvolumina zu den reinen BrennstoffVolumina sind für unterschiedliche Brennstoffe unterschiedlich.

Erfindungsgemäß wird ferner eine Luftfahrzeug-Brennstoffanlage mit einem Tank, einer dem Tank zugeordneten und mit der Atmosphäre verbundenen Entlüftung und mindestens einer Brennstoffpumpe zum Ausfördern vom im Tank enthaltenen Brennstoff unter Druck geschaffen, die gekennzeichnet ist durch eine Rückführeinrichtung, die einen Teil des durch die Pumpe strömenden Brennstoffs zum Tank zurückführt; die Rückführeinrichtung ist derart aufgebaut, daß bei im Tank befindlichem Brennstoff und während des Betriebs der Pumpe der durch die Rückführeinrichtung strömende Brennstoffanteil dazu gebracht wird, zumindest teilweise die darin gelöste Luft in Form kleiner Bläschen freizusetzen, und in den im Tank

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befindlichen Brennstoff ausgefördert wird.

Es hat sich herausgestellt, daß bei Druckbeaufschlagung des im Tank befindlichen Brennstoffs mit einem geringeren Umgebungsdruck das Hindurchwandern des Vorhangs kleiner Bläschen durch den im Tank befindlichen Brennstoff dazu führt, die Hauptmenge der im Tank-Brennstoff gelösten Luft fortschreitend freizusetzen. Dies ist vermutlich auf die große Oberfläche zurückzuführen, die der Bläschenvorhang im Tank-Brennstoff bildet. Die gelöste Luft wandert vom im Tank befindlichen Brennstoff in die Luftblasen, die sich vergrößern, wenn sie in Form von Gas-faschen durch den Tank-Brennstoff zur Brennstoffoberfläche wandern. Die auf diese Weise durch die Blasen freigesetzte Luft wird dann zur Atmosphäre entlüftet.

Bei einem Flugzeug, das am Boden betankt wurde, befindet sich die im Brennstoff gelöste Luft im Gleichgewichtszustand und läßt sich nicht dadurch absondern, daß der Brennstoff durch die Rückfuhreinrichtung umgewälzt wird, d.h. das Verhältnis der im Brennstoff gelösten Luftmenge zur Brennstoffmenge hat den richtigen Gleichgewüitswert für den betrachteten Umgebungsdruck (Atmosphärendruck am Boden). Die Entgasung des im Tank befindlichen Brennstoffs kann durch eine solche Umwälzung erst dann in Gang gebracht werden, wenn der Umgebungsdruck zu fallen beginnt, d.h. wenn das Flugzeug anzusteigen beginnt.

Wenn der Umgebungsdruck, dem eine Flüssigkeit ausgesetzt ist, auf einen zweiten niedrigeren Umgebungsdruck abfällt, erfolgt der Vorgang, durch den das in der Flüssigkeit gelöste Gas in

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den gasförmigen Zustand übergeht - um dadurch das entsprechende Gleichgewichtsverhältnis der gelösten Gasmenge zur Flüssigkeitsmenge bei dem neuen zweiten Umgebungsdruck einzustellen - selbsttätig an einer irgendbeliebigen Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Gas. Bei Luftfahrzeug-Brennstofftanks reicht die Flächengröße, an der dieser Vorgang selbsttätig ablaufen kann, nicht aus, daß dieser Übergang mit einer ausreichenden Geschwindigkeit erfolgen kann. Erfindungsgemäß jedoch läßt sich der im Tank befindliche Brennstoff fortschreitend in einem sdchen Maße von der Luft befreien, daß das Auftreten der oben erwähnten Schwierigkeiten während der Zeitdauer verhindert wird, die das Flugzeug benötigt, um nach dem Abheben auf seine Reiseflughöhe zu kommen.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die durch den im Tank befindlichen Brennstoff wandernden Luftblasen aus der bereits im Brennstoff gelösten Luft herstammen. Somit wird tatsächlich ein Teil der gelösten Luft als Treibmittel zum Freisetzen der Hauptmenge der übrigen Luft verwendet. Die Einrichtung, dfe zusätzlich zu den bereits in einer Luftfahrzeug-Brennstoff anlage vorhandenen Bauteilen benötigt wird, hat einen geringen Platzbedarf, und ein besonderer Vorteil liegt in dem Umstand, daß diese zusätzliche Einrichtung keine bewegten Bauteile enthält und eine nur geringe Überwachung erfordert, wenn sie einmal eingebaut wurde.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbefepieles in Verbindung mit den schematischen

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Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Abschnittes einer Flugzeug-Brennstoffanlage,

Fig. IA einen Teilschnitt längs der Linie a-a der Fig.l,

Fign.2A und 2B vergrößerte Teilansichten eines in Fig. 1 gezeigten Bauteils, wobei die Fig. 2B ein Schnitt längs der Linie b-b der Fig. 2A ist, und

Fign. 3, M- und 5 Aufsichten dreier Flugzeug-Brennstoff tanks.

Gemäß Fig. 1 enthält der gebrochen dargestellte Flugzeug-Brennstofftank Io flüssigen Brennstoff loa. Mit lob ist ein beispielsweiser Brennstoffpegel für einen beinahe vollen Tank gezeigt. Oberhalb des Brennstoffpegels befindet sich im Tank ein dampfförmiges Brennstoff-Luftgemisch, das über eine Entlüftungsleitung 11 mit der Atmosphäre in Verbindung steht. In Fig, 1 ist die Entlüftungsleitung 11 als Verzweigungsstück einer Rohrleitung gezeigt.

Der Tank enthält eine abgesenkte Brennstoffpumpe 12, die den Tank-Brennstoff über eine Leitung 13 zu weiteren (nicht gezeigten) Brennstofftanks und/oder zu den ebenfalls nicht gezeigten Flugzeugtriebwerken fördert.

Eine Leitung 1% Ist mit der Pumpenaus laßleitung 13 verbunden und endet in einem oder mehreren Mundstücken 15, die nahe dem Tank-

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boden angeordnet sind. Gemäß den Figuren hat die Leitung 14 vier Abzweigungen 14c, die jeweils in einem Mundstück 15 enden. Die Anzahl und Lage der Mundstücke 15 hängt von der Form und Größe des jeweiligen Brennstofftanks, in den sie eingebaut sind, ab; dies wird genauer weiter unten erläutert.

Die Fign. 2A und 2B zeigen ein Mundstück 15. Dies hat die Form einer mit einem Sechskantkopf versehenen Schraube, deren Schaft 15a in Strömungsmittelverbindung mit der Leitung 14 gebracht werden kann. Wie gezeigt, verläuft eine Bohrung 15d koaxial zum Schaft durch die Schraube. In jeder Flachseite 15b des Sechsecks ist eine radial verlaufende Auslaßöffnung 15c ausgebildet, die in die Bohrung 15d verläuft. Koaxial zu der Bohrung 15d durchsetzt eine öffnung 15e den Sechskantkopf der Schraube.

Es können auch anders aufgebaute Mundstücke verwendet werden. Bei einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann das Mundstück mehrere schmale Hohlrohre enthalten, die radial vom abgeschlossenen Ende einer Leitung 14 verlaufen.

Die Leitung IH (Fig. 1) verläuft im Tank Io nach oben zu einer Stelle 14a oberhalb des Brennstoffpegels lob. Die Stelle 14a liegt zwischen der Pumpe 12 und den Mundstücken 15 und enthält eine schmale öffnung 14b, durch die eine Saugwirkung verhindert wird, die andernfalls bei einem Abtrennen der an die Leitung 13 angeschlossenen Einrichtung einen Rückstrom des Tank-Brennstoffs in der Leitung 14 und zur Leitung 13 gestatten könnte. Wahlweise kann auch ein (nicht gezeigtes) Rückschlagventil in der Leitung 14 zwischen der Leitung 13 und den Mundstücken 15 angeordnet

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sein. In diesem Fall sind die öffnung 14b und die hochgelegene Knickstelle 14a nicht erforderlich.

In jedem Fall liegt in der Leitung IU ein Filter 16 vorzugsweise neben einem nicht gezeigten Überwachungsdeckel in der Wandung des Tanks lo. Durch diesen Filter wird verhindert, daß Fremdstoff partikel die Auslaßöffnungen 15c und die Öffnung 15e zusetzen.

Während des Betriebs arbeitet die beschriebene Luftfahrzeug-Brennstoff anlage wie folgt: Der Tank Io wird mit Brennstoff aufgefüllt, der normalerweise eine darin gelöste Luft-Teilmenge enthält. Die Pumpe 12 wird entweder ständig oder in Zeitabständen in Gang gesetzt, je nach den Erfordernissen der Brennstoff-Förderung und des Brennstoffverbrauchs während des Starts und •Flugs. Während des Betriebs der. Pumpe wird druckbeaufschlagter Brennstoff zunächst durch die Leitung 13 gefördert, und ein Teil dieses Brennstoffs gelangt in die Leitung 14. Dieser Brennstoff-Nebenstrom wird über die Auslaßöffnungen 15c und die öffnungen 15e in den im Tank befindlichen Brennstoff ausgestoßen. Die öffnungen 15e dienen jedoch hauptsächlich als Entlüftungslöcher für möglicherweise in den Mundstücken 15 angesammeltes Wasser.

Die plötzlichen Geschwindigkeitsänderungen des durch die Auslaßöffnungen 15c strömenden Brennstoffs führen zu einem Freisetzen zumindest eines Bruchteils der in diesem Brennstoff gelösten Luft. Vermutlich unterstützen auch die in dem durch die Auslaßöffnungen strömenden Brennstoff wirksamen Scherkräfte die Freigabe der gelösten Luft, und diese Luft wandert in Form eines

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stetigen Vorhanges kleiner Blasen 17 nach oben durch den im Tank befindlichen Brennstoff. Es hat sich herausgestellt, daß diese Bläschen die Freigabe eines hohen Anteils der im Tank-Brennstoff gelösten Luft hervorrufen. Diese freigesetzte Luft wandert zum Brennstoffpegel und wird über die Entlüftungsleitung 11 zur Atmosphäre abgegeben.

Die Anzahl und Lage der Mundstücke 15 ist vermutlich nicht entscheidend, vorausgesetzt, daß durch die Bläschen-Vorhänge oder -Wolken ein großer Teil des im Tank befindlichen Brennstoffs aktiviert wird. Infolge der radial gerichteten Aus.laßöffnungen werden die Gasblasen 17- in seitlicher Richtung ausgesprüht, bevor sie ansteigen.

Luftfahrzeug-Brennstofftanks haben natürlich nicht notwendigerweise eine regelmäßige Form, und die Fign. 3, 4 und 5 aeigen Aufsichten dreier Brennstofftanks eines Delta-Flügel-Flugzeugs, wobei die entsprechenden Lagen für die Mundstücke 15 ersichtlich sind. Diese Figuren haben etwa den angedeuteten Maßstab.

Eine geeignete Einbauhöhe für die Mundstücke oberhalb des Tankbodens liegt in der Größenordnung zwischen 5ο und 75 mm.

Ein geeigneter Durchmesser für die Leitung 14 ist 13 mm. Geeignete Durchmesser für die Auslaßöffnungen 15c und die Entlüftungsöffnungen 15e sind 1,3 mm. Bei diesen Maßen sollte die Pumpe 12 zusätzlich zu ihrer normalen Fördermenge eine zusätzliche Förderleistung von etwa 7,5 l/min, für jedes Mundstück 15 bei einem

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Druck von etwa 1,75 kg/cm haben. Es wurde ermittelt, daß der

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Luft-Absonderungsvorgang gut innerhalb der Zeitspanne beendet wird, die das Luftfahrzeug nach dem Abheben zum Erreichen seiner Reise-Flughöhe benötigt, d.h. die erforderliche Zeit liegt in der Größenordnung von Minuten.

Falls ein Tank mit einer eingebauten Pumpe vorhanden ist₅ die während bestimmter Flugzustände nicht benutzt werden kann, kann zur Luftabsonerung eine eigene Pumpe vorgesehen sein. Bei einem Tank mit fünf Mundstücken 15 hat eine zu diesem Zweck geeignete Pumpe eine Förderleistung von etwa 38 l/min, bei einem Druck

von etwa 1,75 kg/cm .

Falls eine öffnung 14b vorgesehen ist, hat sie vorzugsweise einen Durchmesser von 1,5 mm.

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Claims (5)

British Aircraft Corporation Limited loo Pall Mall London, S.W.I/England 27. April 1971 Anwaltsakte M-1551 Patentansprüche

1. Verfahren zum Absondern von Gasen aus einem Flüssigkeitsvolumen, in dem die Gase bei einem ersten Umgebungsdruck gelöst wurden, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit einem zweiten Umgebungsdruck mit einem niedrigeren Absolutwert als der des ersten Umgebungsdrucks ausgesetzt, eine Teilmenge der Flüssigkeit dem Flüssigkeitsvolumen entnommen, zumindest ein Bruchteil der in der entnommenen Flüssigkeits-Teilmenge gelösten Gase in Form von Blasen freigesetzt und die die Blasen enthaltende Flüssigkeits-Teilmenge in das übrige Flüssigkeitsvolumen derart ausgefördert wird, daß die Gasblasen durch das Flüssigkeitsvolumen wandern und dadurch die darin gelösten Gase zumindest teilweise freisetzen.

2. Luftfahrzeug-Brennstoffanlage mit einem Tank, einer dem Tank zugeordneten und mit der Atmosphäre verbundenen Entlüftung und mindestens einer Brennstoffpumpe zum Ausfördern vom im Tank enthaltenen Brennstoff unter Druck, gekennzeichnet durch eine Rückfuhreinrichtung (If, 15), die einen Teil des durch die Pumpe C12) strömenden Brennstoffs zum Tank (lo) zurück-

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führt und bei im Tank CIo) befindlichem Brennstoff (loa) und während des Betriebs der Pumpe (12) den durch die Rückfuhreinrichtung strömenden Brennstoffanteil zumindest teilweise von der darin gelösten Luft in Form kleiner Blasen (17) befreit und in den im Tank befindlichen Brennstoff (loa) ausfördert.

3. Brennstoffanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückfuhreinrichtung eine Leitung (14·) enthält, die in mindestens einer Auslaßöffnung (15) endet.

4. Brennstoffanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (14) mit mehreren Auslaßöffnungen (15) versehen ist, die derart gerichtet sind, daß der hindurchströmende Brennstoffanteil in Form von zunächst in Horizontalebenen durch den im Tank befindlichen Brennstoff (loa) verlaufenden Strömungsmittelstrahlen ausgefördert wird.

5. Brennstoffanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (14) mit zumindest einer Abzweigung (14c) versehen ist und jede Abzweigung in mehreren Auslaßöffnungen (15) endet.

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ORIGINAL INSPECTED

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