DE2918875A1

DE2918875A1 - Luftpumpe mit primaeren und sekundaeren einlasstroemungskanaelen

Info

Publication number: DE2918875A1
Application number: DE19792918875
Authority: DE
Inventors: Jun Charles Kuintzle; Joseph P Murphy
Original assignee: Avco Corp
Current assignee: Avco Corp
Priority date: 1978-10-04
Filing date: 1979-05-08
Publication date: 1980-04-24
Also published as: IT1123768B; SE444211B; JPS6250679B2; GB2030650B; US4212595A; GB2030650A; CA1111773A; SE7904016L; FR2438182B1; JPS5549600A; FR2438182A1; IT7926253A0

Description

Es wird eine Luftpumpe geschaffen, die für das Pumpen von Gasen geeignet ist, die abreibende Teilchen enthalten. Es ist ein Gehäuse vorgesehen, das einen primären Strömungskanal zentriert um die Pumpenachse und einen sekundären Strömungskanal ringförmig den primären Kanal umgebend aufweist, und zwar unmittelbar innerhalb der äußeren Gehäusewand. In dem Mittelabschnitt der Pumpe beschleunigt ein angetriebenes Pumpenflügelrad, das im Inneren einerachsial symmetrischen Umkleidung umläuft, die von dem primären Strömungskanal angesaugte Luft, so daß dieselbe durch eine ringförmige Ausdruckdüse in eine Saugkammer abgegeben wird. Das Vorliegen eines Hochgeschwindigkeits-Luftstroms in der Saugkammer saugt die Bestandteile des sekundären Strömungskanals in die Saugkammer. Der mitgerissene Gehalt der primären und sekundären Strömungskaiiäle wird in den Diffusor überführt v/o die Geschwindigkeitsenergie des Gemisches in Druck umgewandelt wird. Das unter Druck stehende Gemisch wird sodann durch den Abgasabschnitt abgegeben.

Teilchenseparatoren werden für das Entfernen von Sand und Staub aus dem Lufteinlaß von Gasturbinen angewandt. Ein kleiner Bruchteil der eintretenden Luft wird oftmals abgelenkt, um so das Entfernen von Sand und Staub aus dem Separator zu bewerkstelligen. Die diesen Säuberungsvorgang unterstützende Pumpe muß unter sehr verschmutzten Bedingungen arbeiten, da eine sehr hohe Konzentration an Sand und Staub in dem Separatorauslaß vorliegt. Sandteilchen führen zu einer ernsthaften Beschädigung und Verringerung der Leistungsfähigkeit sowie Lebensdauer einer herkömmlichen mit Schaufeln arbeitenden Luftpumpe.

Gemäß der US-PS 3 977 811 ist eine Pumpe bekannt geworden, bei der die Verunreinigungen über einen liebenweg entfernt werden. Dieses Merkmal der Entfernung über einen Nebenweg führt zu einer erheblichen Verbesserung der Rotordauerhaftigkeit für Luftpumpen, die großen Volumina an mit Sand und Staub beladener Luft kontinuierlich abgeben. Bei dem Verfahren nach der US-PS 3 977 811 erfolgt immer noch ein gewisser Abrieb der Rotorschaufeln der Pumpe. Dies erfolgt, weil das über Trägheitskraft arbeitende Schmutzablenksystem nicht alle Sand- und Staubteilchen abtrennen kann.

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Erfindungsgemäß wird nun die Aufgabe gelöst, das Problem der Schaufelerosion weiter dadurch zu lösen, daß im wesentlichen alle Staub- und Sandteilchen aus dem Luftstrom ausgeschlossen v/erden, der durch die Rotorschaufeln der Pumpe hindurchtritt. Um diese Abtrennung zu erzielen, macht man sich den Vorteil von zv/ei Zwecken zunutze, die bei dem Betrieb einer Gasturbine erreicht werden nüssen. Ein Zweck betrifft das Entfernen von Sand und Staub aus dem an dem Lufteinfluß der Turbine befestigten Seprator. Der andere Zweck betrifft das Kühlen des öls, das durch den an dem Getriebegehäuse der Turbine befestigten Wärmeaustauscher hindurchtritt. Die durch den Wärmeaustauscher für das Kühlen des Turbinenöls hindurchtretende Luft ist praktisch frei von Staub und Sand. Als solches ist diese Luft gut geeignet für ein Hindurchsaugen durch einen primären Strömungskanal und in das Schaufelteil einer Pumpe. Erfindungsgemäß wird somit die durch den Wärmeaustauscher gesaugte Luft angewandt, indem dieselbe durch eine ringförmige Ausdrückdüse einer Luftstrahlupmpe beschleunigt wird. Der HochgeschwindigkeitsstHahl der durch die Düse hindurchtretenden Luft tritt in eine Saugkammer ein, die durch einen sekundären Strömungskanal mit der Hauptleitung des Sand- und Staubseparators verbunden ist. Das Vorliegen des Hochgeschwindigkeits-LuftStroms in der Saugkammer führt dazu, daß der mit Sand und Staub beladens Anteil des sekundären Strömungskanals in die Saugkanmer gesaugt wird. Der mitgerissene Gehalt der zwei Luftquellen wird sodann nach Hindurchtritt durch eine ringförmige Diffusorstufe nach außen abgegeben.

Die Erfindung betrifft eine Luftpumpe, die geeignet ist mit Sand und Staub beladene Luft aus der Hauptleitung eines Teilchenseparators abzuziehen. Die Pumpe besteht aus einem Gehäuse mit einer inneren zylinderförmigen Leitung. Die Leitung ist in konzentrische inneee und äußere Strömungskanäle durch eine zylinderförmige Umkleidung unterteilt, die sich im Inneren des Gehäuses befindet. Der innere Kanal ist mit einer Quelle primären Luftflusses verbunden, der praktisch nicht verunreinigt ist. Auf der Achse des Gehäuses ist ein stromlinienförmiger Drehkörper angeordnet und erstreckt sich achsial in dem Einlaßteil des inneren Kanals unter

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Ausbilden eines ringförmigen primären Luftflusses. Es ist ein Schaufelrotor für ein Umlaufen um die Gehäuseachse angeordnet und liegt so vor, daß die Schaufeln den primären Luftfluß stromab zu dem stromlinienförmigen Drehkörper beschleunigen. Es ist eine Düse an dem Auslaß der Umkleidung angeordnet, um so weiter den primären Luftfluß zu beschleunigen, der aus derselben austritt und in eine Saugkammer eintritt.

Der aus der Düse austretende und in die Saugkarumer eintretende Hochgeschwindigkeits-Luftstrom dient dazu die Bestandteile des Sekundären Strömungskanals in die Saugkammer zu saugen. Der mitgerissene Gehalt der primären und sekundären Strömungskanäle wird sodann stromab in einen ringförmigen Diffusorabschnitt überführt, wo die Geschwindigkeitsenergie des Gemisches in Druck umgewandelt wird. Ein Auslaßabschnitt stromab zu der Diffusorstufe überführt den kombinierten Luftstrom aus der Pumpe und gibt die mit Teilchen beladene Luft außenbords oder in ein Sammelgefäß ab.

Erfindungsgemäß wird es somit ermöglicht, relativ saubere Luft bei dem Herauspumpen einer mit Teilchen beladenen Luft aus einer Hauptleitung anzuwenden. Das Pumpen wird erreicht ohne daß die mit Teilchen beladene Luft durch den Rotor der Pumpe geführt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wirdim folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Luftpumpe in Verbindung mit dem ölkühlungs-Wärmeaustauscher und der Hauptleitung des bei einer Gasturbine angewandten Teilchenseparators;

Fig. 2 eine teilweise Querschnittsansicht einer Luftpumpe mit primären und sekundären Einlaßströmungskanälen;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht des Inneren des vermittels Getriebe angetriebenen Rotorschaufelgehäuses der Pumpe nach Figur 2.

Die Figur 1 zeigt eine Luftpumpe 10, deren Einlaß über eine Leitung 12 mit der Hauptleitung 14 des Teilchenseparators 16 verbunden ist. Der Teilchenseparator 16 kann eine Bauart aufweisen, wie sie in der US-PS 3 970 439 beschrieben ist. Der Lufteinlaß 21 des Separators ist in geeigneter Weise wie über die Verjüngung 18 und die Einlaßleitung 20 mit dem Lufteinlaß der Gasturbine 22 verbunden.

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Der Separator 16 entfernt Staub und andere Teilchen aus der Luft vor dem Eintritt in den Einlaß 20 und legt die Verunireinigungen in der Hauptleitung 14 nieder. Das Getriebegehäuse 24 angekuppelt an die Hauptwelle der Gasturbine vermittelt über das Wellengehäuse 25 die Kraft für den Antrieb der Luftpumpe. Das Getriebegehäuse 24 enthält Schmieröl, das durch den Wärmeaustauscher 26 gekühlt wird. Das öl fließt zu und weg von dem Wärmeaustauscher 26 über die Ölleitungen 28 und 30. Es wird Kühlluft durch den Wärmeaustauscher 26 und in den primären Luftfluß der Pumpe 10 an dem Einlaß 27 gesaugt. Die Kühlluft dient sowohl zum Kühlen des Öls in dem Getriebegehäuse und zum Betrieb der Düse 58 der Luftpumpe 10 unter Entfernen der Teilchen aus der Hauptleitung 14. Bei der praktischen Ausführungsform ist die Pumpe 10 proportional wesentlich kleiner im Vergleich zu der Gasturbine 22 als dies in der Figur 1 gezeigt ist.

Unter Bezugnahme auf die Figur 2 ist dort teilweise weggeschnitten das Inneren der Pumpe 10 mit primären und sekundären Strömungskanälen gezeigt. Die Pumpe 10 weist ein äußeres Gehäuse 40 mit kreisförmigem Querschnitt auf. Im Inneren der äußeren Gehäusewand 40 liegt eine zweite Wand 42 vor, die ebenfalls kreisförmigen Querschnitt besitzt. Die Wand 42 trennt den primären Strömungskanal von dem sekundären Strömungskanal über die gesamte Pumpe hin. Der primäre Strömungskanal erhält Kühlluft 29, die durch den Wärmeaustauscher 26 gesaugt wird. Der primäre Strömungskanal 32 ist um die Pumpenachse herum zentriert, während der sekundäre Strömungskanal 36 eine ringförmige Kammer darstellt, die den primären Strömungskanal umgibt.

Die die Leitung 12 mit dem sekundären Strömungskanal 34 verbindende Einlaßhauptleitung 36 weist eine toroidale Form auf, siehe Figur Mit der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Form werden mit dieser Einlaßhauptleitung 36 zwei Dinge erreicht. Erstens wird hierdurch der Inhalt der Leitung 12 gleichmäßig um den Umfang des sekundären Strömungskanals 34 verteilt. Zweitens dient die Konfiguration der Hauptleitung 36 daeu, daß eine drehende Wifbelbewegung der mit Teilchen beladenen Luft vermittelt wird, die an dem Einlaß des sekunäären Strömungskanals abgegeben wird. Die drehende Wirbelbewegng hält die Sand- und Staubteilchen in Suspension und konzentriert

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weiterhin durch Zentrifugalkrafteinwirkung die schwereren Teilchen benachbart zu der äußeren Gehäusewand 40.

Die in den primären Strömungskanal 32 eintretende Einlaßluft wird radial nach außen durch den stromlinienförmigen Drehkörper 44 abgelenkt. Eine Reihe sich achsial esstreckender radialer Einlaßstreben 46 dient dazu den stromlinienförmigen Drehkörper 44 zu tragen und gleichzeitig den eintretenden primären Luftstrom 45 längs des Inneren der Pumpe zu leiten. Wie in den Figuren 2 und 3 gezeigt, sind die Einlaßstreben 46 achsial ausgerichtet, und deshalb wird der Luftstrom gerade längsdem Inneren des Rohres geleitet. Bei einigen Ausführungsformen kann es sich als zweckmäßig erweisen, die Streben 46 winkelförmig anzuordnen, um so dem Luftstrom einen Drall in ührzeigerrichtung oder entgegengesetzt der Uhrzeigerrichtung zu vermitteln.

Unter Bezugnahme auf die Figur 3 ist dort eine ringförmige Umkleidung 47 an der Stromabseite des stromlinienförmigen Drehkörpers 44 angeordnet. Im Inneren der ringförmigen Umkleidung 47 liegt eine Mehrzahl an Schaufeln 48 des Pumpenflügelrades einteilig mit dem Rotor 49 ausgebildet vor. Der Rotor 49 ist an einem Ende der Welle 50 angeordnet, die in Lagern ruht, die ihrerseits in dem Tragteil 51 angeordnet sind. Auf das an dem anderen Ende der Welle 50 angeordnete Kegelrad 52 wird die Kraft von dem Zahnrad 53 übertragen, das ebenfalls in dem Tragteil 51 gelagert ist. Die Antriebswelle 25 treibt das Zahnrad 53 an. Die Kraft für den Antrieb der Welle 25 wird durch das Getriebegehäuse 24 geliefert, das die Welle mit hoher Geschwindigkeit antreibt.

Der ringförmige primäre Luftstrom 45 wird im Inneren der Umkleidung angesaugt und durch die Schaufeln 48 beschelunigt, so daß derselbe mit hoher Geschwindigkeit durch die ringförmige primäre Düse 56 in die ringförmige Saugkammer 58 eintritt. Die aus der primären Düse 56 austretende Hochgeschwindigkeits-Luft dient dazu, die verschmutzte Luft zu 60% durch den sekundären Strömungskanal 34 zu saugen, siehe Figur 2. Der Mantel der mit Sand und Staub gefüllten Luft wird längs des sekundären Strömungskanals 34 vorbei an der Außenseite der Umkleidung 47 und in die Saugkammer 58 gesaugt. Dort wird der Inhalt der primären und sekundären Strömungskanäle mitgerissen. Das mitgerissene Gemisch führt dazu, daß die schweren Sand-und Staubteilchen durch die. sich bewegende Luftmasse in dem Gebiet 62 in einen Gleichgewichtszustand gebracht werden. Das Gebiet 62 befindet sich zwischen der äußeren Gehäuse-

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wand 40 und einer inneren Umkleidung, die den mechanischen Antriebsmechanismus schützt. Die Welle 25 tritt rechtwinklig durch ein Gehäuse 64, das in das Gebiet 62 in der in der Figur 3 gezeigten Weise eindringt.

An den Rohrring des Gebietes 62 schließt sich ein ringförmiger Aust laßdiffusor 66 an. Der Diffusor 66 ist kompakt und besitzt eine kurze Länge im Verhältnis zum Durchmesser. Es wird ein Diffusorteil 63 angewandt zwecks Verzögern einer Stromungstrennung. Das Teil 68 besteht aus einem dünnen Metallblech mit kreisförmigem Querschnitt. Das Teil 68 ist in dem Diffusor 66 vermittels einer Mehrzahl dünner vorderer und hinterer Streben 70 und 72 aufgehängt, die sich um den Diffusor herum in einem regelmäßigen Abstandsverhältnis erstrecken. Der ringförmige Auslaßdiffusor 66 dient dazu das mitgerissene Gemisch aus primären und sekundären Kanalgasen zu verlangsamen und gleichzeitig führt derselbe zu einem Ansteg in dem Gasdruck.

Es ist zu erwähnen, daß die Luft den Umfang der Schaufeln 48 mit einem Winkel verläßt, der angenähert eine Tangente zu dem Umfang der Schaufeln ist. Um diesen Luftfluß wieder in eine achsiale Richtung zu bringen, sind in dem Kanal eine Reihe gekrümmter Beschleunigungsschaufeln 55 angeordnet. Die Schaufeln 55 sind zwischen der Wand des Getriebegehäuses und der Umkleidung 47 angeordnet. In der Stirnansicht ist jede der Schaufeln 55 angenähert auf einen Kreisbogen gekrümmt. Hierdurch lenken die Schaufeln die von dem Pumpenflügelrad kommende Luft dergestalt um, daßdieselbe achsial durch die Düse und in die Saugkammer tritt.

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Claims

PATENTANWALT p-1 BERLIN 33 4.5.79

MANFRED MIEHE

Diplom-Chemiker Telegramme: INDUSPROP BERLIN

Telex: 0185443

US/16/2420 L-512-F-9

AVCO CORPORATION 1275 King Street, Greenwich, Conn. 06830, USA

Luftpumpe mit primären und sekundären Einlaßströmungskanälen

Patentansprüche

1J Luftpumpe für das Pumpen von Gasen, die abreibende Teilchen enthalten, gekennzeichnet durch die Kombination der nachfolgenden Merkmale:

a) ein äußeres zylinderförmiges Gehäuse mit einer sich achsial .erstreckenden inneren Leitung, wobei die Leitung einen Einlaß und einen Auslaß besitzt;

b) eine zylinderförmige Umkleidung angeordnet in dem Gehäuse unter Unterteilen der Leitung in innere und äußere, achsial verlaufende Kanäle;

c) eine Quelle eines primären Luftflusses, der relativ frei von Verunreinigungen ist und in Verbindung mit dem inneren Kanal;

d) ein stromlinienförmiger Drehkörper angeordnet in dem Gehäuse auf der Achse desselben, wobei der Körper an dem Einlaßende des inneren Kanals angeordnet ist und bedingt einen einheitlichen, ringförmigen, primären Luftfluß;

e) einen angetriebenen Rotor angeordnet in dem Gehäuse zwecks Umlaufen um die Achse desselben stromab von dem stromlinienförmiger Drehkörper, wobei sich die Schaufeln des Rotors in den inneren Kanal der Leitung erstrecken unter Beschleunigen des primären Flusses;

f) eine Quelle für äinen sekundären Luftfluß mit relativ starker Verunreinigung, der gepumpt werden soll, wobei die Quelle mit

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dem äußeren Kanal der Leitung verbunden ist;

g) eine ringförmige Ausdrückdüse ausgebildet in dem Auslaßende der Umkleidung stromab zu dem Rotor, die eine weitere Beschleunigung des primären Luftflusses bedingt;

h) eine Saugkammer ausgebildet in der Leitung stromab zu der Düse zwecks Aufnahme des aus derselben austretenden primären Luftflusses hoher Geschwindigkeit, sowie in Verbindung mit dem äußeren Kanal zwecks Aufnahme des sekundären Luftflusses, wobei der primäre Luftfluß hoher Geschwindigkeit in die Kammer dazu dient, den sekundären Luftfluß durch den äußeren Kanal zu pumpen und i) eine Anordnung in Verbindung mit der Saugkammer zur Abgabe des Inhaltes der Saugkammer aus der Pumpe.
2. Luftpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Mischung dienendes Gebiet in Form eines Rohrringes in Verbindung mit der Düse und der Saugkammer steht.
3. Luftpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine achsiale, symmetrische, ringförmige Diffusorstiife in Verbindung mit dem Auslaßende des Mischgebietes steht, der Diffusor benachbart zu dem Auslaßende des Puirpengehäuses vorliegt.
4. Luftpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennz eichnet, daß die ringförmige Diffusorstufe ein Teil aufweist, durch das die Strömungstrennung verzögert wird.
5. Luftpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der stromlinienförmige Drehkörper getragen wird durch im gleichen Abstandsverhältnis vorliegende radiale Einlaßstreben, die den stromlinienförmigen Drehkörper mit dem äußeren Gehäuse verbinden, jede der Streben über ihre Länge durch eine eng angepaßte öffnung in der äußeren Wand hindurchtritt, die die primären und sekundären Strömungskanäle trennt.
6. Luftpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennz eichnet, daß jede der im gleichen Abstandsverhältnis vorliegendedn radialen Einlaßstreben eine sich radial erstreckende Spannbreite aufweist, durch die die eintretenden Luftströme in den primären und sekundären Strömungskanälen gezwungen werden einen bestimmten Strömungsweg zu folgen, während dieselben längs des Inneren der Pumpe fließen.

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