DE60004662T2 - Konzentrischer filter für kraft- und/oder schmierstoffe mit integriertem wärmetauscher - Google Patents

Konzentrischer filter für kraft- und/oder schmierstoffe mit integriertem wärmetauscher Download PDF

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung ist auf eine kompakte Kombination aus Wärmetauscher und Doppel-Fluidfiltern gerichtet, die in einer Gasturbinenmaschine verwendet werden kann, um gleichzeitig Schmieröl und Brennstoff zu filtern und dabei Wärmeenergie zwischen dem Öl und dem Brennstoff zu übertragen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Obwohl die vorliegende Erfindung eine Gasturbinenmaschine als ein Beispiel nutzt, wird man verstehen, dass die vorliegende Erfindung und der Hintergrund dieser Technik sämtliche Anwendungen einschließt, bei denen ein Wärmetauscher mit Fluidfiltern in einer kompakten Einheit kombiniert ist.
  • In vielen Maschinen, beispielsweise Verbrennungsmaschinen, und im vorliegenden Beispiel einer Gasturbinenmaschine wird Kohlenwasserstoff-Brennstoff mit einer Brennstoffpumpe aus einem Brennstofftank über eine Brennstoffleitung in die Maschine gepumpt. Um Fremdkörper und andere Verunreinigungen zu entfernen, ist typischerweise ein Brennstofffilter an einem zugänglichen Punkt in der Brennstoffleitung positioniert und optional auch ein Brennstoff/Luftseparator. Der Brennstofffilter ist überlicherweise ein Zylinder aus einem gewellten Textil, der an einer Stelle in der Maschine positioniert ist, die zum Wechseln während einer Routinewartung leicht zugänglich ist.
  • In einer ähnlichen Weise ist der Ölfilter generell ein gewellter Textilzylinder, der an einer bequem zugänglichen Stelle in dem Ölverteilungssystem positioniert ist. Schmieröl wird zwischen Lagern und einem Ölreservoir durch eine Ölpumpe zyklisch bewegt, die auch an einer zugänglichen Stelle zur routinemäßigen Wartung angeordnet ist.
  • Im Falle einer Gasturbinenmaschine wird der relativ kühle von dem Brennstofftank ankommende Brennstoff häufig verwendet, um das relativ heiße Öl durch die Verwendung eines Brennstoff/Ölwärmetauschers zu kühlen, welches von dem Lager zurückströmt. Der Brennstoff wird durch das Öl erwärmt und verringert somit das Risiko eines Vereisens in dem Brennstoffkreis. In einer Gasturbinenmaschine ist der Wärmetauscher auch an einer bequemen Stelle für Zugang und Inspektion an einem Punkt entlang der Brennstoff- und Ölleitung positioniert.
  • Man erkennt jedoch, dass diese Ansammlung von separatem Wärmetauscher, Ölfilter und Brennstofffilter eine Vielzahl von verbindenden Öl- und Brennstoffleitungen benötigt, die alle einer Beschädigung oder einer Leckage unterworfen sind. Die Kosten des Installierens und des Wartens von separaten Bauteilen und der verbindenden Leitungen wurde in der Vergangenheit als ein notwendiges Merkmal insbesondere von komplexen Flugzeugtriebwerkskonstruktionen betrachtet. Aber selbst konventionelle Automobilmotoren der Massenproduktion beinhalten separate Öl- und Brennstofffilter mit den begleitenden Leitungen.
  • Es ist ein Ziel der Erfindung, die Anzahl von Maschinenbauteilen, insbesondere der mit Ölfiltern, Brennstofffiltern und Wärmetauschern in Beziehung stehenden Bauteile zu reduzieren, um die Maschinenkonstruktion zu vereinfachen und die Kosten für Herstellung, Zusammenbau und Wartung zu reduzieren.
  • Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, den Wärmetauscher und mindestens einen Fluidfilter zu kombinieren, um eine robuste kombinierte Vorrichtung herzustellen, was das Risiko einer Leckage und eine Anzahl von verbindenden Fluidleitungen in der Maschine verringert.
  • Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Kombination aus Wärmetauscher und Fluidfilter herzustellen, die leicht an eine Anzahl von verschiedenen Maschinenspezifikationen auf eine einfache und geradlinige modulare Weise angepasst werden kann.
  • Weitere Ziele der Erfindung werden aus der Durchsicht der nachfolgenden Offenbarung und Beschreibung der Erfindung ersichtlich.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft eine Kombination aus Wärmetauscher und Fluidfilter, wie in den Ansprüchen definiert, insbesondere in einer Gasturbinenmaschine, um gleichzeitig Schmieröl und Brennstoff zu filtern und dabei Wärmeenergie zwischen dem Öl und dem Brennstoff zu übertragen. Konventionell sind Brennstoff- und Ölfilter sowie ein Wärmetauscher separat in einer Maschine angebracht, wobei eine Vielzahl von Leitungen Fluide zwischen diesen leitet. Die Erfindung packt diese Komponenten zusammen und erzielt einige Vorteile als ein Ergebnis, insbesondere: eine Verringerung bei der Anzahl von Teilen und der Kosten für Herstellung und Installation; das Begrenzen des Risikos von körperlicher Beschädigung oder Leckage; verbesserten Zugang für Zusammenbau, Inspektion und Wartung; und modulare Standardbauteile zum Anpassen an eine Anzahl von verschiedenen Maschinen, indem lediglich die Länge der Filter/Tauscher an einer Standardverteilereinrichtung verlängert wird.
  • Die kombinierte Vorrichtung aus Wärmetauscher und Filter hat ein Einschlussgehäuse, welches in eine erste Kammer und eine zweite Kammer durch eine undurchlässige Wärmeaustauschwand getrennt ist, die daran angepasst ist, Wärmeenergie zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid, welches durch die erste und die zweite Kammer zirkulieren, zu übertragen. Eine Verteilereinrichtung in dem Gehäuse hat Einlässe und Auslässe in Fluidströmungsverbindung mit der ersten bzw. der zweiten Kammer, und ein Fluidfiltermedium ist in einer oder beiden Kammern angeordnet. Vorzugsweise sind für einen verbesserten Wärmeübertrag zwischen den Fluiden die Einlässe und Auslässe in der Verteilereinrichtung so angeordnet, dass sie die Fluide in Gegenströmung leiten, und das Filtermedium ist angeordnet, das Fluid senkrecht zu der Wärmeaustauschwand zu leiten.
  • Auf diese Weise werden die Fluide zirkuliert und bleiben für eine relativ lange Verweildauer in Kontakt mit der Wärmeaustauschwand. Die bevorzugte Anordnung nutzt zylinderförmige Standard-Brennstoff- und Ölfilter, die innerhalb und außerhalb einer mit Deckel versehenen zylinderförmigen Wärmetauscherwand eingesetzt sind. Der Wärmetauscher kann ein extrudierte Aluminiumrohr mit in Längsrichtung verlaufenden Wärmeübertragrippen an inneren und äußeren Oberflächen sein, das günstig hergestellt werden kann, verglichen mit den arbeitsintensiven Plattenstapel-Wärmetauschern, die konventionell verwendet werden.
  • Das Herumführen von Leitungen ist verringert, ebenso die Gesamtnutzung von druckbeaufschlagten Leitungen in der Maschine. Als Folge sind das Risiko einer Beschädigung, von Feuer, von Leckage, von dem Ausgesetztsein der Elemente und Vereisen verringert. Das Packen in ein kombiniertes Gehäuse ergibt eine robustere Anordnung und eine Einfachheit des Zugangs bei Wartung und Inspektion. Der konzentrische Einschluss des Brennstofffilters in den Wärmetauscher und des Wärmetauschers in dem Ölfilter verringern signifikant die Konstruktionsdrücke, denen das Brennstofffilter- und Wärmetauschergehäuse widerstehen müssen.
  • Der Brennstofffilter- und Wärmetauschereinschluss haben keine äußere Gehäuseoberfläche, die nicht unter Druck ist, anders als konventionelle separate Bauteile. Konventionelle Gehäuse für Filter und Wärmetauscher sind extern Atmosphärendruck ausgesetzt und müssen Innendrücken von sechsmal dem Betriebsdruck widerstehen, um Sicherheit zu gewährleisten. Durch das Kombinieren des Brennstofffilters, des Ölfilters und des Wärmetauschers in einem einzigen Gehäuse ist der Nettodruck, dem die innen eingesetzten Bauteile ausgesetzt sind, beträchtlich verringert.
  • Die Verwendung eines einfachen zylinderförmigen Wärmetauschers mit Innen- und Außenrippen verringert signifikant die Kosten des Wärmetauschers, da sehr wenig Arbeit während der Herstellung erforderlich ist. Ein extrudierter Aluminiumzylinder kann beispielsweise verwendet werden. Konventionelle Stapelplatten-Wärmetauscher erfordern Löten von mehreren Platten während des Zusammenbaus mit den zugehörigen Arbeitskosten.
  • Weitere Details der Erfindung und ihre Vorteile werden aus der detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen, die nachfolgend enthalten sind, ersichtlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Zum einfacheren Verständnis der Erfindung wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
  • 1 ist eine Axialschnittansicht durch einen kombinierten Wärmetauscher mit einem externen Ölfilter und einem internen Brennstofffilter, die in in einem kombinierten Gehäuseeinschluss befestigt sind und mit Dichtungen an einer Brennstoff/Öl-Verteilereinrichtung angebracht sind.
  • 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linien 2-2 von 1, welche die konzentrische Anordnung von dem inneren Brennstofffilter, dem zentral positionierten Wärmetauscher mit Rippen an inneren und äußeren Oberflächen und den umgebenden Ölfilter, die alle in einem einzigen äußeren Gehäuseeinschluss eingeschlossen sind, zeigt.
  • 3 ist eine Axialschnittansicht ähnlich der 1, welche die bevorzugten relativen Brennstoff- und Öl-Strömungsrichtungen durch die Filter und über die Wärmetauscheroberflächen während des Betriebs zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 und 3 zeigen einen kombinierten Filter/Wärmetauscher mit zwei Filtern für das zirkulierende Fluid, welches an entgegengesetzten Seiten des Wärmetauschers strömt.
  • Es wird auf 1 Bezug genommen. Die Kombination aus Wärmetauscher und Fluidfilter weist ein äußeres eingeschlossenes Gehäuse 1 auf, welches in der gezeigten Ausführungsform einen entfernbaren Topf 2 aufweist, der mit Stehbolzen 3 an einer Verteilerstruktur 4 befestigt ist. Der Topf 2 hat einen Abschlussdeckel an seiner oberen Oberfläche, und er ist lösbar an dem unteren umfangsmäßigen Rand mit einem O-Ring 5 an der Verteilereinrichtung 4 abgedichtet. Der Wärmetauscher 6 besitzt auch eine zylinderförmige Gestalt in der gezeigten Ausführungsform mit einem oberen Abschlussdeckel 7 und ist lösbar an dem unteren umfangsmäßigen Rand an der Verteilereinrichtung mit einem O-Ring 8 abgedichtet.
  • In der gezeigten Ausführungsform ist ein zylinderförmiger Ölfilter 9 außerhalb des zylinderförmigen Wärmetauschers 6 angeordnet, und ein zylinderförmiger Brennstofffilter 10 ist innerhalb des Wärmetauschers 6 angeordnet. Eine Abstützringstruktur 11 ist zu der Verteilereinrichtung 4 mit einem O-Ring 12 abgedichtet und dient dem Abstützen des Ölfilters 9 und dem Kanalisieren des Öls durch das Gehäuse 1, wie nachfolgend detailliert beschrieben wird.
  • In einer ähnlichen Weise dient die Kernstruktur 13 dem Abstützen des Brennstofffilters 10, und sie ist an der Verteilereinrichtung in einer Weise angebracht, dass sie die Brennstoffströmung durch den Filter 10 und in dem Gehäuse 1, wie nachfolgend beschrieben, lenkt. Der Kern 13 weist ein in Längsrichtung gleitendes Ventil 14 auf, welches mit einer Feder 15 in eine geschlossene Position vorgespannt ist, um wie gezeigt, Öffnungen 16 zu überdecken. Für den Fall, das der Brennstofffilter 10 verstopft wird, wird ein Unterdruck, der durch die Brennstoffpumpe bewirkt wird, eine Druckdifferenz erzeugen, die ausreichend ist, die Kräfte der Feder 15 zu überwinden, und zu einer Bewegung des Ventils 14 nach unten führt, um die Öffnungen 16 freizugeben und so eine Brennstoffströmung zuzulassen, um den verstopften Brennstofffilter 10 zu umströmen.
  • Das Einschlussgehäuse 1 ist in eine erste Öl-gefüllte Kammer 17 und eine zweite Brennstoff-gefüllte Kammer 18 durch die zylinderförmige Wärmeaustauschwand 19 und den Abschlussdeckel 7 geteilt. Die Wand 19 und der Deckel 7 haben die Funktion, Wärmeenergie zwischen dem Öl und dem Brennstoff zu übertragen, wenn sie durch die Kammern 17 bzw. 18 zirkulieren. Die Verteilereinrichtung 4 des Gehäuses 1 weist einen ringförmigen Öleinlasskanal 20 in Strömungsverbindung mit der mit Öl gefüllten Kammer 17 über Öffnungen 21 in dem Abstützring 11 auf.
  • Wie in 3 gezeigt, strömt das Öl nach oben durch die Öffnungen 21, tritt radial durch den Ölfilter 9 und wandert dann entlang der Außenoberfläche der Wärmeaustauschwand 19 nach unten in einen Öl-Auslaufkanal 22. Wie in 2 gezeigt, besitzt die Wärmeaustauschwand 19 Längs-Wärmeübertragrippen 23 an den Außenoberflächen und Wärmeübertragrippen 24 an den Innenoberflächen. Bei der gezeigten Ausführungsform haben die mit dem ungefilterten Brennstoff in Kontakt befindlichen inneren Rippen 24 eine Breite, die größer ist als die Breite der äußeren, in Kontakt mit dem gefilterten Öl befindlichen Rippen 23 an der Außenoberfläche, um das Risiko eines Verstopfens der Rippen 24 mit Fremdkörpern zu reduzieren. Wie gezeigt, weist der Deckel 7 des Wärmetauschers 6 keinerlei Wärmeübertragrippen auf, man versteht jedoch, dass die Oberfläche des Deckels 7 den Wärmeübertrag in einem gewissen Maß erleichtert und, falls erwünscht, mit Rippen versehen sein kann.
  • Mit Bezugnahme auf 1 und 3 kann man erkennen, das Öl und Brennstoff in einer Gegenströmungsrichtung in Kontakt mit entgegengesetzten Seiten der Wärmeaustauschwand 6 und Rippen 23 und 24 durch die Auswahl und die Anordnung der Einlässe und Auslässe für den Brennstoff und das Öl geleitet werden. Untersucht man die Zirkulation des Brennstoffs in der Brennstoffgefüllten Kammer 18, so weist die Verteilereinrichtung 4 des Gehäuses 1 einen ringförmigen Brennstoff-Einlasskanal 25 auf, der unter Druck Brennstoff nach oben zwischen die inneren Rippen 24 des Wärmetauschers 6 leitet. Der Brenn stoff strömt dann radial über den Brennstofffilter 10 und wird in der Kernstruktur 13 zum Abführen durch den Brennstoff-Auslasskanal 26 gesammelt.
  • Zur effizienten Herstellung und zur Einfachheit der Filterkonstruktion und der Wärmetauscherkonstruktion sind die Wärmeaustauschwand 19 und die innere Brennstoff-gefüllte Kammer 18 zylinderförmig, wobei die äußere Öl-gefüllte Kammer 17 außenliegende ringförmig und koaxial dazu sind. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der Ölfilter 9 und der Brennstofffilter 10 die Fluidströmung rechtwinklig zu der Wärmeaustauschwand 19 lenken. Die Quer- oder Radial-Strömung von Öl und Brennstoff zirkuliert tendenziell die Fluide in den Kammern 17, 18 und erzeugt Turbulenzen, um beim Austausch der Wärmeenergie zu unterstützen.
  • Wie man in 3 deutlich erkennen kann, hat die Zirkulation von Brennstoff und Öl in dem konzentrischen Brennstofffilter 10, dem Wärmetauscher 6 und dem Ölfilter 9 den Vorteil einer kompakten Konstruktion und der Modularität. Die Verteilereinrichtung 4 kann als ein Standardteil zur Verwendung in einer Anzahl von verschiedenen Maschinen konstruiert sein. Um die Filter- und Wärmeaustauschkapazität zu erhöhen, verlängert der Konstrukteur lediglich die Länge der Filter 9 und 10, des Wärmetauschers 6 und die Länge des Gehäusetopfes 2. Der Flächeninhalt der Oberfläche dieser Komponenten wird erhöht, und die sich ergebende Filter- und Wärmeaustauschkapazität sind erhöht, indem die Länge vergrößert wird, ohne den Durchmesser der kombiniert zusammengesetzten Wärmetauscher/Filter-Komponenten zu erhöhen. Als Folge kann eine Standardverteilereinrichtung 4 für eine Anzahl von Maschinen dienen. Die Herstellung der Filter 9 und 10 und des Wärmetauschers 6 kann auch auf einen ausgewählten Durchmesser standardisiert sein, wobei unterschiedliche Kapazitäten bewältigt werden können, indem lediglich die Länge modifiziert wird.
  • Die vorangegangene Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen betreffen eine spezielle bevorzugte Ausführungsform.

Claims (6)

  1. Kombination aus Wärmetauscher und Fluidfilter, aufweisend: ein Einschlussgehäuse, welches in eine erste Kammer (17) und eine zweite Kammer (18) durch eine undurchlässige Wärmeaustauschwand (19) getrennt ist, die daran angepasst ist, Wärmeenergie zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid, welche durch die erste bzw. die zweite Kammer (17, 18) zirkulieren, zu übertragen, wobei das Gehäuse einen ersten und einen zweiten Einlass (20, 25) und Auslässe (22, 26) in Strömungsverbindung mit der ersten bzw. der zweiten Kammer (17, 18) aufweist, wobei die Wärmeaustauschwand (19) und die zweite Kammer (18) zylinderförmig sind und wobei die erste Kammer (17) außerhalb, ringförmig und koaxial dazu ist; ein Fluidfiltermedium (9, 10), welches in jeder der Kammern (17, 18) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse einen äußeren Topf (2) aufweist, wobei der Topf (2) und die Wärmeaustauschwand (19) an einem Ende jeweils einen Abschlussdeckel (2, 7) haben und an einem gegenüber liegenden Umfangsrand davon an einer Verteilereinrichtung (4) lösbar abgedichtet sind, wobei die Verteilereinrichtung (4) die Einlässe (20, 25) und die Auslässe (22, 26) aufweist, die angeordnet sind, dass sie eine Gegenströmung der Fluide in Kontakt mit entgegengesetzten Seiten der Wärmeaustauschwand (19) leiten.
  2. Kombination aus Wärmetauscher und Fluidfilter nach Anspruch 1, wobei das Fluidfiltermedium (9, 10) so angeordnet ist, dass es die Fluidströmung senkrecht zu der Wärmeaustauschwand (19) leitet.
  3. Kombination aus Wärmetauscher und Fluidfilter nach Anspruch 1, wobei die Wärmeaustauschwand (19) Wärmübertragungs-Längsrippen (23, 24) an deren Innen- und Außenoberfläche hat.
  4. Kombination aus Wärmetauscher und Fluidfilter nach Anspruch 3, wobei die Wärmeübertragungs-Längsrippen (24) an der Innenoberfläche jeweils eine Breite haben, die größer als die Breite der Rippen (23) an der Außenoberfläche ist.
  5. Kombination aus Wärmetauscher und Fluidfilter nach Anspruch 1, wobei die erste Kammer (17) innerhalb der Wärmeaustauschwand (19) angeordnet ist und das erste Fluid flüssigen Brennstoff aufweist.
  6. Kombination aus Wärmetauscher und Fluidfilter nach Anspruch 5, wobei das zweite Fluid Öl aufweist.
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