DE3009986A1

DE3009986A1 - Heissgasfilter

Info

Publication number: DE3009986A1
Application number: DE19803009986
Authority: DE
Inventors: Richard J Miko; Daniel H Shapiro
Original assignee: Edo Corp
Current assignee: Edo Corp
Priority date: 1979-03-14
Filing date: 1980-03-14
Publication date: 1980-10-09
Also published as: DE8007093U1; US4277261A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Filter, der viele Male ohne Beschädigung dazu benutzt werden kann, Schmutz oder andere Verunreinigungen aus Hochtemperaturgasen zu entfernen, die von brennenden Treibstoffen erzeugt werden, so daß verhindert wird, daß die Verunreinigungen bewegliche Teile verstopfen, die dem Gas ausgesetzt sind.

Bei derzeit im Einsatz befindlichen militärischen Hochleistungsflugzeugen müssen Außenbordkörper vom Flugzeug mit hoher Geschwindigkeit entfernt werden, damit sie das Strömungsfeld des Flugzeugs ohne Beschädigung verlassen. Dies wird gewöhnlich mit Hilfe von Ausstoßgestellen, Raketenwerfern und dergleichen unter Verwendung von Sprengkartuschen bewirkt, die Hochtemperaturgase als Energiequelle erzeugen. Die Hochtemperaturgase wirken auf kolbenbetätigte Vorrichtungen, die

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ihrerseits die Außenbordkörper mit der gewünschten hohen Geschwindigkeit ausstoßen. Die in herkömmlichen Kartuschen verbrannten Treibstoffe erzeugen Gase mit einer Temperatur über 2480⁰C (4500⁰F). Unverbrannter Treibstoff, Zünderrückstände, Oxide der Kartuschengehäuse und Erosionsprodukte an der Durchbruchstelle erzeugen Teilchen, die schließlich zu einem Verstopfen der Rohrleitungen im Ausstoßgestell, der Ausstoßkanonen oder dergleichen führen.

Bisher sind die Rückstände dieser Teilchen dadurch entfernt worden, daß das Ausstoßgestell und dergleichen periodisch zerlegt und gereinigt wurde, was ein teurer Vorgang ist, der die Betriebsbereitschaft des Ausstoßgestells beeinflußt. Wenn andererseits die periodische Reinigung nicht durchgeführt wurde, ergab sich eine Beeinflussung der Zuverlässigkeit, da der Aufbau der Rückstände zur Folge haben kann, daß das Ausstoßgestell nicht mehr richtig arbeitet. Es sind verschiedene Lösungen dieses Problems angestrebt worden; beispielsweise wurde versucht, eine sauber brennende Kartusche zu erhalten, die keine Verunreinigungen ergibt, und es wurde versucht, einen Filter zu schaffen, der die Verunreinigungen aus dem Weg des Hochtemperaturgases entfernt, bevor das Gas auf die kolbenbetätigten Vorrichtungen einwirkt. Eine ausreichend sauber brennende Kartusche muß erst noch entwickelt werden, und Filter, die über eine große Anzahl von Betriebszyklen benutzt werden können, sind wegen der zerstörenden Auswirkungen der hohen Gastemperatur auf den Filter noch nicht erhalten worden.

Die Erfindung bezieht sich auf einen wiederverwendbaren Filter für Hochtemperaturgase, der die Rückstände des Gases sammelt und dadurch einer kolbenbetätigten Vorrichtung, wie sie in einem Ausstoßgestell, einem Raketenwerfer oder dergleichen vorhanden ist, ein saubereres Gas zuführt. Der Betrieb der

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kolbenbetätigten Vorrichtung wird daher zuverlässiger, und es ergibt sich ein geringerer Wartungsbedarf als bei bisher im Einsatz befindlichen Systemen. Der Filter ist unter Verwendung besonderer Materialien und mit besonderer Form aufgebaut, so daß er ohne Abschmelzen oder Erosion Gastemperaturen über 2480⁰C (4500⁰F) standhalten kann. Auf diese Weise wird ein Heißgasfilter erhalten, der für zahlreiche Abschüsse in Bombenabwurfgesteilen, Kanonen und dergleichen wiederverwendet werden kann, ohne daß es zu einem Blockieren oder Verstopfen der kolbenbetätigten Vorrichtungen kommt, ohne daß eine Wartung benötigt wird. Die Erfindung macht von Filterbauteilen aus Molybdän, Niob oder Tantal Gebrauch, die bezüglich des erzeugten heißen Gases ausreichend hohe Schmelzpunkte haben. Der Filter ist mit einem ausreichend breiten Wendelstreifen und einer Streifenstützvorrichtung ausgestattet, damit ausreichende Kühlkörper entstehen, die ein Schmelzen verhindern, wobei die benachbarten Windungen des Wendelstreifens mechanisch im Abstand voneinander gehalten sind, damit zwischen den Windungen feine Schlitze zum Erfassen der Verunreinigungen entstehen. Die Bauteile dürfen jedoch nicht so groß sein, daß sie das Gas zu stark kühlen und dessen Energie verbrauchen, bevor sie die Stelle erreichen, an der sie als Energiequelle wirken sollen; die Bauteile müssen ausreichend klein sein, damit sie in die beabsichtigte Arbeitsumgebung eines Flugzeugs oder einer Rakete passen. Die Ausführung muß so getroffen sein, daß eine ausreichende Größe zur Erzielung einer maximalen Filterkapazität ohne übermäßigem Druckabfall im Gas erreicht wird.

Die Erfindung kann auch dort angewendet werden, wo heiße Gase aus brennenden Treibstoffen zum Betätigen von Vorrichtungen oder Antriebsmechanismen, beispielsweise in Kreiseln in einer Rakete, oder zur Erzielung eines Schubs in einer

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Rakete zur Änderung ihrer Bahn benutzt werden, wobei es im zuerst genannten Fall erwünscht ist, daß die Verunreinigungen in dem Gas den Kreisel nicht verstopfen, während im zuletzt genannten Fall die Verunreinigungen im Gas Steuerventile nicht verstopfen dürfen, durch die die Gase strömen.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht des Filters nach der Erfindung, wobei auch die Gasströmung aus einer brennenden Kartusche in den Filter und aus dem Filter zu einem dem Gas ausgesetzten beweglichen Glied dargestellt ist,

Fig. 2 eine Ansicht eines Teils des den Filter nach der Erfindung bildenden Streifens,

Fig. 3 einen Teilschnitt des Filters längs der Linie 3-3 von Fig. 1,

Fig. 4 einen Schnitt des Filters längs der Linie 4-4 von Fig. 1 und

Fig. 5 eine Stirnansicht des Austrittsendes des Filters von Fig. 1.

Der in der Zeichnung dargestellte Heißgasfilter 10 nach der Erfindung weist eine allgemein zylindrische Außenform auf. Der Filter 10 ist aus einem Metallstreifen 11 geformt, der zur Bildung einer Wendel 12 gemäß Fig. 1 wie auf einen Dorn aufgewickelt ist. Der Metallstreifen 11 weist allgemein runde Höcker 13 auf, die längs einer Seite 11a des Metallstreifens 11 im Abstand voneiander angebracht sind, wie in Fig. 2 dar-

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gestellt ist. Diese Höcker 13 dienen dazu, benachbarte Windungen der Wendel im Abstand voneinander zu halten und zwischen den Windungen axiale Spalte 21 zu bilden. Die Wendel 12 besteht aus einer großen Anzahl von Windungen, beispielsweise in der Größenordnung von mehr als hundert.

Die Wendel 12 ist zwischen einem Stirnflansch 14 und einer geschlossenen Kappe 15 des Filters 10 beispielsweise mit Hilfe von vier Bolzen 16 befestigt, die innerhalb der Wendel 12 verlaufen und mit Hilfe von Muttern 17 am Stirnflansch 14 und an der geschlossenen Kappe 15 des Filters 10 befestigt sind. Die Filterstruktur ist längs ihrer Achse straff zusammengespannt, und die Höcker 13 liegen längs des Metallstreifens 11 nahe genug beieinander, damit der Filter Steifheit erhält und damit der Axialabstand zwischen benachbarten Windungen der Wendel 12 genau eingestellt wird.

Im Inneren der Wendel 12 ist eine gefaltete Stützvorrichtung 18 angebracht, die eine geschlossene, ungelochte Umfangsflache aufweist und zwischen dem Stirnflansch 14 und der geschlossenen Kappe 15 verläuft. Die Stützvorrichtung 18 hat eine solche Form und eine solche Festigkeit, daß die im wesentlichen kreisförmige Querschnittsgestalt der Wendel aufrechterhalten wird; wie in Fig. 4 dargestellt ist, hat die Stützvorrichtung die Form eines Sterns. Die gefaltete Querschnittsform der Stützvorrichtung 18, die in Fig. 4 dargestellt ist, berührt die aus dem Metallstreifen 11 gebildete Wendel 12 an im Abstand voneinander liegenden Abschnitten, und sie dient außerdem dazu, acht axiale Strömungskanäle festzulegen, die sich von der Kappe zum Flanschende des Filters erstrecken; jeder Strömungskanal wird von Wänden 18a der Stützvorrichtung 18 und von Abschnitten der angrenzenden Wendel 12 gebildet. Durch den Filter erstrecken sich innerhalb der Stützvorrichtung 18 Bolzen 16.

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Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, strömt das heiße Gas aus einer brennenden Kartusche 20 zu einem beweglichen Glied 30, indem es den Filter 10 passiert. Das Gas dringt in die Seite des Filters 10 durch Gasströmungsspalte 21 ein, die durch den axialen Abstand zwischen benachbarten Windungen der Wendel 12 gebildet sind, der wiederum von den Höckern 13 auf dem Metallstreifen 11 erzeugt wird. Das Hochtemperaturgas strömt entlang des Filters durch die Spalte 21 radial ins Filterinnere und in die axialen Strömungskanäle 19, die mit den Spalten 21 in Verbindung stehen, und es strömt dann längs der Strömungskanäle 19 in axialer Richtung gegen das Filterauslaßende am Flansch 14, wobei die Kappe 15 allgemein eine geschlossene Fläche darstellt.

Nach Fig. 5 weist der Flansch 14 mehrere Auslaßöffnungen 22 auf, aus denen das gefilterte Heißgas austritt, damit es dann auf das kolbenbetätigte Gerät 30 einwirkt oder irgendeine andere mechanische Vorrichtung, beispielsweise in einem Kreisel, antreibt oder durch ein Steuerventil strömt. Die •Auslaßöffnungen 22 liegen allgemein vollständig oder zumindest mit teilweiser Überlappung in einer Linie mit den axialen Strömungskanälen 19, durch die das Hochtemperaturgas strömt. Die Auslaßöffnungen 22 sollen die Gasströmung nicht merklich beeinträchtigen.

Aufgrund der Strömung durch den Filter werden Verunreinigungsteilchen aus dem Hochtemperaturgas entfernt, indem sie wegen des schmalen axialen Abstandes zwischen benachbarten Windungen der Wendel 12 an den Gasströmungsspalten 21 erfaßt werden. Dieser von der Dicke der Hocker 13 festgelegte axiale Abstand kann sich abhängig von der gewünschten Filterwirkung beispielsweise von einigen Mikron bis zu einigen Hundert Mikron ändern.

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Die Bolzen 16, der Flansch 14, die Kappe 15 und die Muttern 17 können aus korrosionsfestem Stahl gebaut sein, da sie der Heißgasströmung nicht übermäßig ausgesetzt sind. Der Metallstreifen 11 und die Stützvorrichtung 18 müssen jedoch aus einem Material mit ausreichend hohem Schmelzpunkt bestehen, so daß das Heißgas mit einer Temperatur über 2480⁰C (4500⁰F) nicht zum Schmelzen führt, wenn es über diese Bauteile strömt. Molybdän, Niob oder Tantal können für den Metallstreifen 11 und die Stützvorrichtung 18 in einem gemäß der Erfindung aufgebauten Filter benutzt werden.

Der Metallstreifen 11 und die Stützvorrichtung 18 des Filters müssen so dimensioniert sein, daß genügend Wärme zum Verhindern des Schmelzens, jedoch nicht so viel Wärme absorbiert wird, daß das Gas zu stark gekühlt wird, bevor es die Stelle jenseits des Filters erreicht, an der es als Energiequelle dienen und Arbeit verrichten soll. Der Filter soll eine ausreichende Filterkapazität haben, damit das Gas keinen großen Druckabfall beim Strömen durch den Filter erfährt. Der Flugzeug- oder Raketenbereich, wo der Filter angewendet wird, erfordert kleine Abmessungen und ein geringes Gewicht des Filters. Der Metallstreifen 11 ist in Richtung der Filterlängsachse im allgemeinen um mehrere Vielfache dicker als die Dicke der flocker 13, und gröbere oder feinere Filterspalte können durch Verändern der Dicke der Höcker 13 erhalten werden. In der Wendel 12 wird eine große Anzahl von Windungen mit ausreichendem Durchmesser angewendet, damit eine ausreichende Filterwirkung erhalten wird. Die axialen Strömungskanäle 19 sind in genügender Anzahl und Größe vorgesehen, damit ein Blockieren der Gasströmung innerhalb des Filters in Richtung zu den Auslaßöffnungen 22 vermieden wird.

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Im Rahmen der Erfindung können natürlich ohne weiteres Abwandlungen vorgenommen werden.

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eers eite

Claims

Patentanwälte

Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

13..März 1980

EDO CORPORATION

College Point

New York/ New York /V.St.A.

Unser Zeichen: E 988

Patentansprüche

Heißgasfilter zum Entfernen von Verunreinigungen aus einem durch einen brennenden Treibstoff erzeugten Gasstrom mit einer Gastemperatur über 2480⁰C (4500⁰F), wobei der Filter so ausgebildet ist, daß er dem heißen Gas mehrmals ohne Beschädigung ausgesetzt werden kann und in einem System zwischen dem brennenden Treibstoff und einem an der Filterabstromseite angebrachten beweglichen Glied dazu angewendet werden kann, das Verstopfen des Glieds zu verhindern, auch wenn es dem heißen Gas mehrmals ausgesetzt worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallstreifen vorgesehen ist, der zu einer Wendel mit mehreren Windungen gewickelt ist, daß an einem Ende der Wendel eine Kappe angebracht ist, daß am anderen Ende der Wendel ein Flansch mit wenigstens einer öffnung angebracht ist, daß an der Kappe und an dem Flansch axial verlaufende Bolzenvorrichtungen befestigt sind, die die Wendel axial in Position bringen und festhalten, daß auf einer Seite des die Wendel bil-

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denden Metallstreifens im Abstand voneinander liegende Hocker gebildet sind, die einen Abstand zwischen benachbarten Windungen der Wendel zur Bildung von Filterlücken zwischen den Rändern der Windungen ergeben, daß im Innern der Wendel eine mit ihr an mehreren Abschnitten in Kontakt stehende Stützvorrichtung angebracht ist, die die Querschnittsform der Wendel aufrechterhält und sich längs des Filters unter Bildung mehrerer axialer Strömungskanäle zwischen ihren Wänden und der Wendel erstreckt, wobei die Strömungskanäle mit den Filterspalten in Verbindung stehen, daß sich jede öffnung in dem Flansch mit wenigstens einem Abschnitt jedes axialen Strömungskanals überdeckt und daß der Metallstreifen und die Stützvorrichtung aus einem Metall bestehen, das dem Hochtemperaturgas ohne Schmelzen widerstehen kann.
2. Heißgasfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das den Metallstreifen und die Stützvorrichtung bildende Metall Molybdän ist.
3. Heißgasfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das den Metallstreifen und die Stützvorrichtung bildende Metall Tantal ist.
4. Heißgasfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnetdaß das den Metallstreifen und die Stützvorrichtung bildende Metall Niob ist.
5. Heißgasfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützvorrichtung eine geschlossene, gewickelte, ungelochte Form hat.
6. Heißgasfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützvorrichtung sternförmig ist.

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7. Heißgasfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Bolzenvorrichtungen im Inneren der Stützvorrichtung erstrecken.
8. Heißgasfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden axialen Strömungskanal eine eigene Flanschöffnung vorgesehen ist.
9. Heißgasfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Wendel in einer solchen Anzahl und Größe vorhanden sind und daß die Stützvorrichtung so bemessen ist, daß sich eine angemessene Filterung, eine genügende Wärmeabsorption zur Vermeidung des Schmelzens und eine minimale Energieentnahme aus dem zu filternden Gas ergeben.

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