DE2256972C2 - Abscheider zum Entfernen von Fremdteilchen aus dem einem Gasturbinentriebwerk zugeführten Luftstrom - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abscheider zum Entfernen von Fremdteilchen aus dem einem Gasturbinentriebwerk zugeführten Luftstrom gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein derartiger Abscheider ist aus der DE-AS 13 01 647 bekannt.

Gasturbinentriebwerke von Flugzeugen sind besonders empfindlich gegenüber Beschädigungen durch Fremdkörper, die in die Lufteinläße der Triebwerke gelangen. Dieses Problem ist in der Vergangenheit besonders akut gewesen in bezug auf relativ große Fremdkörper, wie z. B. Steine, Kies, Vögel, Hagel und ähnliches. Mit dem Aufkommen von durch Gasturbinen angetriebenen Helikoptern und anderen senkrecht startenden und landenden Luftfahrzeugen (VTOL) sind kleinere Fremdstoffteilchen, wie z. B. Sand und Wasser, in zunehmender Weise unangenehm geworden, hauptsächlich wegen der Umstände, unter denen derartige flugzeuge betrieben werden. Aufgrund ihrer Fähigkeit, senkrecht zu starten und zu landen, kann dieser Flugzeugtyp in Bereichen verwendet werden, wo konventionelle Flugplätze nicht exisitieren, wie z. B. in ίο Kampfzonen oder anderen isolierten Bereichen. Helikopter und andere senkrecht startende und landende Luftfahrzeuge sind ferner besonders geeignet für gewisse Flugaufgaben in geringer Höhe sowohl auf Land als auch auf See, wie z. B. Nahkampfunterstützung, Suche und Rettung und Anti-U-Boot-Kriegsführung. Unter diesen und anderen damit in Beziehung stehenden Umständen können wesentliche Mengen von kleinen Fremdkörpern, wie z. B. Sand und Staubpartikelchen und Wassertröpfchen, in der Luftströmung mitgerissen werden, die dem Gasturbinentriebwerk zugeführt wird. Die Partikelchen, die einzeln nur eine geringe Wirkung auf das Triebwerk ausüben, können eine sehr entscheidende Beschädigung verursachen, wenn sie in großen Mengen in das Triebwerk eingeführt werden. Beispielsweise wurde gefunden, daß das Triebwerk von einem Helikopter, der in geringer Flughöhe in einer öden Umgebung operiert, schnell an Leistungsfähigkeit verlieren kann wegen der Erosion der Triebwerksblätter durch eine hohe Geschwindigkeit aufweisende Teilchen. Zusätzlich zu diesem Verschleiß können Fremdteilchen, insbesondere Salzwasser, das auf diese Weise in das Triebwerk gelangt, einen schnellen und zerstörerischen Anfraß bewirken.

Es ist deshalb wünschenswert, Mittel zu schaffen zum Abscheiden von Teilchen aus Sand, Staub, Wasser und ähnlichem, bevor die Luftströmung in das Triebwerk eingeführt wird. Damit dies zu einem zufriedenstellenden Resultat führt, ist es wesentlich, daß der Abscheider bei der Entfernung der unerwünschten Teilchen aus der Luftströmung wirkungsvoll ist. Ein hoher Wirkungsgrad ist besonders wünschenswert in Flugzeugen in Anbetracht der großen Mengen an Luft und infolgedessen der g^roßen Mengen an Fremdteilchen, die von einem Gasturbinentriebwerk verarbeitet werden.

Bisher enthielten Teilchenabscheider Sammelkammern, die entweder die Fremdteilchen festhielten bis das Triebwerk abgeschaltet wurde, woraufhin die Teilchen durch eine Reinigungsöffnung mittels eines Vakuumschlauches entfernt wurden, oder die alternativ die Teilchen während des Triebwerksbetriebes durch eine einzelne Auslaßöffnung beseitigen (s. DE-AS 13 01 647). Das Zurückbehalten von Fremdstoffteilchen in der Sammelkammer des Abscheiders während des Triebwerksbetriebes ist nachteilig wegen der Wahrscheinlichkeit, daß Teilchen, die an den Wänden der Sammelkammer entlangstreichen, eventuell in den Strömungskanal und von dort in den Triebwerkseinlaß zurückspringen. Ferner kann sich die Sammelkammer des Abscheiders füllen und in den Strömungskanal überfließen. Die Beseitigung von Teilchen aus der Sammelkammer durch einen einzelnen Auslaß während des Triebwerksbetriebes eliminiert zwar die Möglichkeit, daß die Sammelkammer überfließt, aber dennoch besteht weiterhin die Gefahr, daß Teilchen in den Strömungskanal zurückprallen könnten, bevor sie durch die Auslaßöffnung austreten. Die Wahrscheinlichkeit, daß Teilchen in den Strömungskanal zurückspringen, wächst mit der Umfangsentfernung, die die Teilchen

zurücklegen müssen, bevor sie durch die Auslaßöffnung austreten. In bekannten Abscheidern müssen aber viele Teilchen vollständig um die Sammelkammer herumwandern, bevor sie durch die Auslaßöffnung abgeschieden werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit steigt, daß die Teilchen auf eine Innenfläche aufschlagen und in den Strömungskanal zurückspringen.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Abscheider für einen Triebwerkseinlaß zu schaffen, bei dem die Gefahr vermindert wird, daß Teilchen, die bereits in die Sammelkammer des Abscheiders gelangt sind, in den Triebwerkseinlaß zurückgeschleudert werden.

Die Aufgabe v/ird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß in die Sammelkammer eingetretene Fremdstoffteilchen entlang einer spiralförmigen, d. h. axial und in Umfangsrichtung verlaufenden Wendeschaufel geführt werden, wodurch ein heftiger Aufprall vermieden wird. Ferner werden diese Fremdstoffteilchen nach einer kurzen Bewegungsstrecke in Umfangsrichtung durch die zwischen benachbarten Wendeschaufeln gebildeten Eingangsöffnungen in die Extraktionsverteiler geleitet, von denen aus die Fremstoffteilchen praktisch nicht in den Sammelraum und den Strömungskanal zurückprallen können.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und so Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. F i g. 1 ist eine aufgeschnittene perspektivische Darstellung von dem erfindungsgemäßen Teilchenabscheider, wie er am Einlaß eines Gasturbinentriebwerkes befestigt ist.

Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht von einem alternativen Ausführungsbeispiel des Abscheiders gemäß Fig. 1.

F i g. 3 ist eine Querschnittsansicht nach einem Schnitt entlang der Linie 3-3 in F ig. 2.

Fig. 4 ist eine Querschnitlsansicht von einem weiteren Ausführungsbeispiel des Abscheiders gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 ist der Einlaßteil eines Gasturbinentriebwerks 10 mit einem Einlaß 12 und einem Axialströmungs-Abscheider 14 gezeigt, der eine spiral- oder schneckenförmige Abieilvorrichtung 16 aufweist. Das Triebwerk, von dem lediglich der Einlaßteil gezeigt ist, umfaßt typischerweise in axial beabstandeter Reihenströmungsanordnung einen Kompressor, einen ringförmigen Brenner, eine Gasgeneratorturbine zum Antrieb des Kompressors und eine Leistungsturbine zum Antrieb einer Ausgangswelle. Diese Einrichtungen sind alle konventionell und in der Gasturbinen-Technik allgemein bekannt. Das beschriebene Turhinenwellentriebwerk kann geeignet sein für Helikopterapplikationen, in denen ein Helikopter-Rotor (nicht gezeigt) von der Ausgangswelle durch eine geeignete Untersetzungseinrichtung (nicht gezeigt) angetrieben wird.

Der verbesserte Separator gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine statische Komponente ohne sich bewegende Teile. Genauer gesagt, weist der Separator 14 eine äußere Umhüllung oder ein Gehäuse, das insgesamt mit der Bezugszahl 18 versehen ist, und eine innere Verkleidung 20 auf, die dazwischen einen axial 6S verlaufenden ringförmigen Strömungskanal 22 bilden, der an seinen entgegengesetzten Enden einen ringförmigen Einlaß 24 und einen ringförmigen Auslaß aufweist der mit den. Triebwerkseinlaß 12 und einer ringförmigen Teilchensammeikammer 26 in Verbindung steht Neben dem ringförmigen Einlaß 24 ist eine Reihe in Umfangsrichtung beabstandeter, radial verlaufender Wende- oder Drehschaufeln ?7 mit einer gewünschten Wendefunktion angeordnet die noch näher beschrieben wird. Eine andere Reihe in Umfangsrichtung beabstandeter radial verlaufender Kompressoreinlaß-Führungsschaufeln 28 ist neben dem Triebwerkseinlaß 12 angeordnet. Die Schaufeln 28 besitzen ebenfalls eine erforderliche Wende- oder Drehkonfiguration. Die ringförmige Teüchensammelkammer 26 wird durch die äußere Oberfläche des Triebwerksgehäuses 30, eine erste axial und in Umfangsrichtung verlaufende Wand 32, eine zweite radial und in Umfangsrichtung verlaufende Wand 34 und eine dritte radial und in Umfangsrichtung verlaufende Wand 36 gebildet die mit dem Separatorgehäuse 18 verbunden sind, um so eine sich radial nach außen erstreckende Rinne zu formen.

Die verbesserte schnecken- oder spiralförmige Abführvorrichtung umfaßt zahlreiche in Umfangsrichtung beabstandete Wendeschaufeln 38, die in radialer Richtung von dem Triebwerksgehäuse 30 zu der axial und in Umfangsrichtung verlaufenden Wand 32 führen. Die Schaufeln 38 unterteilen die Teilchensammelkammer 26 in axialer Richtung und bilden einen ringförmigen Extraktionsverteiler 40 am hinteren Teil der Sammelkammer. Eine Vorrichtung zum Herausführen von Fremdteilchen aus dem Extraktionsverteiler 40 wird durch einen Abführkanal 42 gebildet, der mit dem Verteiler in Verbindung steht und vorzugsweise in tangentialer Richtung von dem Außenumfang des Extraktionsverteilers 40 wegführt. Das außenseitige Ende des Abführkanah steht strömungsmäßig mit einem nicht gezeigten Spülgebläse in Verbindung, um in dem Kanal einen verminderten Druck zu erzeugen und Fremdteilchen herauszuziehen, die in dem ringförmigen Verteiler mitgerissen werden.

Während eines Betriebes des Gasturbinentriebwerkes bewirkt der Niederdruckbereich, der am Finlnß 12 des Triebwerkes besteht, daß Luft mit hoher Geschwindigkeit durch den ringförmigen Strömungskanal 22 hindurchströmt. Wenn diese Luft über die feststehenden Wendeschaufeln 27 strömt, wird sie gedreht oder in Umfangsrichtung zentrifugal abgelenkt, so daß die Luft stromabwärts von den Schaufeln 27 sowohl Winkel- als auch Axialgeschwindigkeit besitzt. Dies ist auch unter der Bezeichnung bekannt, daß der Strömung ein »Drall« gegeben wird. Kleine Fremdstoffteilchen, die in der Luftströmung mitgerissen sind, werden ebenfalls zentrifugiert, wobei diese zentrifugale Ablenkung hauptsächlich für die eine kleine Masse aufweisenden Teilchen gilt, die mit der verwirbelten Luft mitgetragen werden. Um sicherzustellen, daß Teilchen mit größerer Masse ebenfalls durch die Wendeschaufeln zentrifugiert werden, kann es wünschenswert sein, benachbarte Schaufeln in Umfangsrichiung zu überlappen, so daß ein Teilchen nicht zwischen benachbarten Schaufeln in axialer Richtung hindurchtreten kann, ohne auf eine Schaufel zu prallen und dadurch abgelenkt zu werden. Ein in der Luftströmung mitgerissenes und zentrifugal abgelenktes Teilchen hat stromabwärts von den Wendeschaufeln 27 sowohl eine tangentiale als auch eine axiale Geschwindigkeitskomponente. In der Theorie folgt ein Teilchen, das die Schaufeln 27 sowohl mit tangentialer als auch axialer Geschwindigkeit verläßt und nicht irgendwelchen äußeren Kräften ausgesetzt ist, einer geraden Linie zum Außenumfang des Strömungs-

kanales 22 an einem gewissen Punkt stromabwärts von den Schaufeln. In der Praxis jedoch hat die einen Drall aufweisende Luft einen signifikanten Effekt auf die Teilchenbahn, die grob mit derjenigen einer Schneckenoder Schraubenlinie verglichen werden kann, die in der Abwärtsrichtung einen zunehmenden Durchmesser besitzt. Die Führungsschaufeln 28 am Kompressoreinlaß können als Entwirbelungsschaufeln geformt sein, um die Umfangsgeschwindigkeitskomponente der Hauptluftströmung zu beseitigen, bevor diese in den Kompressor eintritt.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung haben die Wendeschaufeln 27 eine Dreh= oder Wendekonfiguration, die bewirkt, daß die mitgerissenen Fremdstoffteilchen den Außenumfang des Strömungskanaies 22 stromaufwärts von dem Triebwerksgehäuse 30 erreichen und entweder direkt in die Sammelkammer 26 strömen oder auf der Innenfläche des Separatorgehäuses 18 aufschlagen und von dort in die Kammer 26 zurückspringen. Wenn die Teilchen einmal in die Kammer 26 eingetreten sind, sind sie daran gehindert, in den Strömungskanal 22 zurückzuspringen. Dies geschieht dadurch, daß sie durch die Wendeschaufeln 38 und in den Extraktionsverteiler hinein mitgerissen werden, von dem aus die Teilchen mittels eines Gebläses durch den Kanal 42 herausgespült werden. Die Wendeschaufeln 38 sind so angeordnet, daß sie die gleiche Umfangsrichtung der Strömung beibehalten, die der Eingangsluftströmung zunächst durch die Wendeschaufeln 27 erteilt worden ist. Um sicherzustellen, daß Teilchen nicht aus dem Extraktionsverteiler 40 in den Strömungskanal und von dort in den Triebwerkseinlaß zurückprallen, können die Wendeschaufeln 38 auch in Umfangsrichtung überlappt sein, so daß ein Teilchen nicht zwischen benachbarten Schaufeln in axialer Richtung hindurchtreten kann, ohne auf eine Schaufel aufzuprallen und dadurch in den Verteiler zurückgeschleudert zu werden. Es wurde gefunden, daß die spiralförmige Abführvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine wesentlich verbesserte Separatorwirksamkeit bis zu einem solchen Ausmaß liefert, daß in den Tnebwerkskanal eintretende Teilchen von 20% auf 12% der Gesamtmasse der in den Separatoreinlaß eintretenden Teilchen reduziert wurden, wenn üblicher AC grober Versuchsstaub verwendet wurde.

Die Wendeschaufeln der spiralförmigen Abführvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung begrenzen die Umfangsstrecke. die Teilchen zurücklegen müssen, bevor sie in dem Verteiler 40 mitgerissen werden, um so die Wahrscheinlichkeit zu senken, daß die Teilchen in den Triebwerkseinlaß zurückgeschleudert werden. Wie aus den Zeichnungen auf einfache Weise deutlich wird, sind, wenn einmal ein Teilchen hinter den Wendeschaufeln in den Extraktionsverteiler wandert, nahezu alle möglichen Rückprallwege in den Triebwerkseinlaß durch die Wendeschaufeln versperrt Für die Konfiguration gemäß Fig. 1, die drei Wendeschaufeln zeigt, die sich jeweils über eine Bogenstrecke von etwa 120° erstrecken, ist ersichtlich, daß kein Teilchen mehr als eine Umfangsstrecke von 120° zurücklegen muß, bevor es in den Extraktionsverteiler eintritt, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Zurückspringens in den Triebwerkseinlaß wesentlich reduziert wird. Es sei jedoch

ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die Erfindung in keiner Weise auf die gezeigte Anzahl der Wendeschaufeln begrenzt ist, sondern die erfindungsgemäße spiralförmige Abführvorrichtung kann jede Zahl von Wendeschaufeln enthalten, die zur Erfüllung eines bestimmten Wirkungsgrades des Separators erforderlich ist.

In den Fig. 2 und 3, in denen sich gleiche Bezugszahlen auf vorstehend beschriebene Elemente

ίο beziehen, ist insgesamt bei 16' ein alternatives Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße spiralförmige Abführvorrichtung gezeigt. Eine Vielzahl in Umfangsrichtung beabstandeter und radial verlaufender Einlaßöffnungen 50 ist um den Außenumfang der Sammelkammer 26 herum angeordnet. Jede öffnung 50 steht mit einem Abfuhr- oder Spülkanal 52 in Verbindung, wobei das an der Außenseite gelegene Ende eines jeden Spülkanales strömungsmäßig mit einem nicht gezeigten Spülgebläse in Verbindung steht um in dem Kanal ein Vakuum oder Unterdruck zu erzeugen und Fremdteilchen herauszuziehen, die in der Sammelkammer mitgerissen werden. Jeder Spülkanal wird durch eine in Umfangsrichtung verlaufende Innenwand 54 und eine in Umfangsrichtung verlaufende Außenwand 56 gebildet, wobei sich jede Innenwand von der Einlaßöffnung aus graduell unterschiedlich radial nach außen zur Außenwand des benachbarten Kanales erstreckt. Die Wände von jedem Kanal können im Querschnitt entweder gekrümmt oder gradlinig sein und sind nicht in besonderer Weise begrenzt, solange dazwischen ein umschlossener Strömungskanal gebildet wird, um die in dem Sammelkanal mitgerissenen Teilchen herauszuziehen.

Für die Anordnung gemäß den F i g. 2 und 3, die drei Öffnungen zeigen, die jeweils in Umfangsrichtung im Abstand von etwa 120° angeordnet sind, wird deutlich, daß kein Teilchen, das in der Sammelkammer mitgerissen wird, mehr als eine Umfangsstrecke von 120° zurücklegen muß, bevor es in einen Abführkanal eintritt, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Zurückspringens in den Triebwerkseinlaß wesentlich reduziert ist. Wiederum ist die Erfindung keineswegs auf diese Anzahl von Öffnungen begrenzt, sondern die spiralförmige Abführvorrichtung kann jede Anzahl von Öffnungen enthalten, die zur Erfüllung eines bestimmten Wirkungsgrades des Separators erforderlich ist.

F i g. 4 zeigt allgemein bei 16" noch ein anderes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße spiralförmige Abführvorrichtung, in dem in Umfangsrichtung

so beabstandete. axial verlaufende Wendeschaufeln 60 vorgesehen sind anstelle der in F i g. 2 und 3 gezeigten Öffnungen 50 Die Wpndesehaufeln 60 bilden zusammen mit der äußeren axial und in Umfangsrichtung verlaufenden Wand 32 einen dazwischen angeordneten ringförmigen Extraktionsverteiler 62, der praktisch in der gleichen Weise wie der vorstehend beschriebene funktioniert. Wiederum brauchen die in die Sammelkammer eintretenden Teilchen nur eine begrenzte Umfangsentfernung zurückzulegen, bevor sie radial nach außen in den Extraktionsverteiler treten, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Zurückspringens in den Triebwerkseinlaß wesentlich vermindert wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 Patentansprüche:

1. Abscheider zum Entfernen von Fremdteilchen aus dem einem Gasturbinentriebwerk zugeführten Luftstrom, mit einem Paar im Abstand angeordneter Wandteile, die einen ringförmigen Einlaß und einen ringförmigen Auslaß für eine Verbindung mit dem Triebwerkseinlaß bilden, mit Wänden zur Ausbildung einer Sammelkammer, die mit dem ringförmigen Strömungskanal in Verbindung steht und Fremdteilchen aus der Luftströmung aufnimmt und entfernt, die dem Triebwerkseinlaß durch den Strömungskanal zugeführt wird, ferner mit einer Dralleinrichtung zum Einleiten der Fremdteilchen aus der Luftströmung innerhalb des Strömungskanales in die Sammelkammer und mit einer Einrichtung zum kontinuierlichen Herausführen von Fremdteilchen an?derSammelkaminer gekennzeichnet durch eine in der Sammelkammer (26) angeordnete spiralförmige Ableitvorrichtung, (16; 16'; 16"), die mehrere Wendeschaufeln (38; 60), deren Vorderkante jeweils mit axialem Abstand stromaufwärts von der Hinterkante einer benachbarten Wendeschaufel (38; 60) angeordnet ist, aufweist zur Unterteilung der Sammelkammer (26) und zur Bildung eines ringförmigen Extraktionsverteilers (40), von dem aus die Fremd teilchen herausführbar sind.

2. Abscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Sammelkammer (26) bildenden Wände im Abstand angeordnete innere und äußere, im allgemeinen axial verlaufende Umfangswandteile (30, 32) und einen diese verbindenden Wandteil (34) umfaßt und daß die Wendeschaufeln (38) sich von dem inneren Umfangswandteil (30) der Sammelkammer (26) radial in Richtung auf den äußeren Umfangswandteil (32) erstrecken.

3. Abscheider nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderkante jeder Wendeschaufel (38) im Abstand radial innen von der Hinterkante einer benachbarten Wendeschaufel (38) angeordnet ist.

4. Abscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spiralförmige Ableitvorrichtung (16') zahlreiche Ableitkanäle (52), die um den Umfang der Sammelkammer (26) herum angeordnet sind und im allgemeinen radial verlaufen, Einlaßöffnungen (50), die in Umfangsrichtung beabstandet sind und mit der Sammelkammer (26) in Verbindung stehen, und ein Gebläse umfaßt, das in jedem Ableitkanal (52) einen Unterdruck ausbildet und in die Sammelkammer (26) mitgerissene Fremdteilchen herauszieht.