DE60007181T2

DE60007181T2 - Brennstoffkreislauf mit geschütztem Hauptstromfilter

Info

Publication number: DE60007181T2
Application number: DE60007181T
Authority: DE
Inventors: Marie-Trinite Rose Blot-Carretero; Jean-Marie Brocard
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1999-01-14
Filing date: 2000-01-13
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2020-01-14
Also published as: DE60007181D1; FR2788561A1; EP1020637A1; US6251270B1; ES2208228T3; FR2788561B1; EP1020637B1

Description

Diese Erfindung betrifft das Gebiet der Filter für Brennstoffe, und insbesondere Filter, die in den Brennstoffkreisläufen von Flugzeugtriebwerken verwendet werden. Ferner betrifft sie die Brennstoffkreisläufe mit solchen Filtern.
Filter, insbesondere Kraftstofffilter, sind seit langem bekannt. Sie bestehen aus einem dichten Raum, beispielsweise mit zylindrischer Form. Dieser Raum enthält ein Filterelement. Eine Brennstoffzuleitung und ein Brennstoffauslass befinden sich beiderseits des Filterelements, so dass der austretende Brennstoff notwendigerweise das Filterelement durchläuft. In 1 ist schematisch ein Beispiel eines Flugzeug-Brennstoffkreislaufs dargestellt, in dem ein solcher Filter verwendet wird.
Der von einem nicht dargestellten Tank kommende Brennstoff wird durch eine Rohrleitung 1 zu einer Niederdruckpumpe 2 befördert, die als Kraftstoffzusatzpumpe für eine in dem Kreislauf dahinter befindliche Hauptstrompumpe 3 dient. Ein Hauptstromfilter 4 erhält einerseits den von der Niederdruckpumpe 2 kommenden Brennstoff sowie andererseits den von unten beschriebenen Rücklaufkreisen kommenden Brennstoff Der Filter 4 weist in bekannter Weise, wie oben erklärt, einen vorn befindlichen Brennstoff Einlass 5, einen hinten befindlichen Brennstoff-Auslass 6 und einen von einem Mantel 40 gebildeten dichten Raum 7 auf. In in 1 nicht dargestellter, bekannter Weise enthält der Hauptstromfilter 4 ein Filterelement 8. Der aus der Hauptstrompumpe 3 austretende Brennstoff durchläuft eine Dosiereinrichtung 9. Die servogesteuerte Dosiereinrichtung 9 lässt nur die für den Betrieb der Triebwerke unter Berücksichtigung der Flugdrehzahl erforderliche Brennstoffmenge durch. Umleitungen 10, 11, die sich vor der Dosiereinrichtung 9 und hinter der Hauptstrompumpe 3 befinden, leiten den Brennstoff einerseits zu Servomechanismen 12, die für ihren Betrieb den Druck des Brennstoffs brauchen, der von der Hauptstrompumpe 3 aus herrscht, und andererseits über ein Einstellventil 15 zu einem Wärmetauscher 13.
Für die folgenden Erläuterungen ist es nun erforderlich, einige Angaben betreffend die Temperaturen des Brennstoffs zu machen. Temperaturen in Grad Celsius, die einer Untergrenze der Außentemperatur für einen Brennstoff des Typs A1 entsprechen, werden als Hinweis für ver schiedene Stellen in dem in 1 dargestellten Kreislauf angegeben. Der Brennstoff im Tank hat während des Fluges im wesentlichen die Außentemperatur in Flughöhe und beträgt beispielsweise und wie dargestellt 1 bis -54°C. Durch diese niedrige Temperatur könnte der reibungslose Betrieb der Servomechanismen 12 beeinträchtigt werden, und aus diesem grund ist vor den Servomechanismen 12 ein Brennstoff Aufheizmittel 14 vorgesehen. Diese niedrige Temperatur wird aber auch vorteilhaft dazu benützt, verschiedene Funktionsmittel des Flugzeugs und insbesondere Triebwerke zu kühlen. Diese Kühlung erfolgt mittels des Hauptstromwärmetauschers 13, der oben bereits erwähnt wurde. Der aus den Servomechanismen 12 austretende Brennstoff wird von einer Rohrleitung 16 bis vor den Hauptstromwärmetauscher 13 geführt, in den er zusammen mit dem aus dem Einstellventil 15 austretenden Brennstoff eingeführt wird. Beim Austritt aus dem Hauptstromwärmetauscher 13 hat der Brennstoff in dem Beispiel mit den Bedingungen von 1 eine Temperatur von ca. 7°C. Dieser Brennstoff wird durch eine Rohrleitung 17, die das hintere Ende des oben erwähnten Rücklaufkreises bildet, bis hinter die Niederdruckpumpe 2 und vor den Hauptstromfilter 4 befördert. Dieser Rücklaufkreis umfasst die Rohrleitung 16 hinter dem Servomechanismus 12, die Umleitung 11, die zu dem Einstellventil 15 führt, und den Hauptstromwärmetauscher 13, und endet mit der Rohrleitung 17. In Anbetracht der Brennstoffmengen in den verschiedenen Elementen des soeben beschriebenen Kreislaufs und der Betriebsbedingungen bei dem gewählten Beispiel beträgt die Temperatur des Brennstoffs beim Eintritt in den Hauptstromfilter 4 ca. –17°C. Es ist jedoch nachzuvollziehen, dass bedeutende Schwankungen dieser Temperatur nicht auszuschließen sind, denn diese Temperatur ergibt sich aus einem Gemisch von einerseits aus dem Tank kommenden Brennstoff, dessen Temperatur von den Bedingungen zu Beginn des Fluges, von der Flugdauer und von den jeweiligen Außentemperaturen abhängt, und von andererseits aus dem Rücklaufkreis kommenden Brennstoff, dessen Temperatur von der Flugdauer und von den jeweiligen Außentemperaturen abhängt, aber auch von den für die Triebwerke und für die Servomechanismen erforderlichen Mengen und von dem Wärmeaustausch mit den gekühlten Organen. So ist es möglich, dass der Brennstoff am Einlass des Hauptstromfilters 4 des Brennstoffkreislaufs Temperaturen aufweist, die im Bereich von oder genau bei –2°C oder auch –9°C liegen, wobei sich bei diesen Temperaturen Eiskristalle bilden können, die das Filterelement 8 des Filters 4 rasch verschmutzen, bis es verstopft ist. Wird dieses Phänomens festgestellt, öffnet sich ein Überbrückungskreis 18 (By-pass), der den verstopften Filter umgeht. In 1 sind noch weitere Überbrückungskreise 18 dargestellt, die weitere Elemente des Brennstoffkreislaufs umgehen, sie werden jedoch nicht besprochen, da sie zum Verständnis der Erfindung nicht erforderlich sind. Bei einem Vereisen des Filters 4 läuft der Brennstoff weiter durch den Überbrückungskreis 18 und speist insbesondere weiter die Einspritzdüsen der Triebwerke, er wird jedoch nicht mehr gefiltert und es besteht die Gefahr, dass eine oder mehrere Einspritzdüsen dadurch verschmutzt und sogar verstopft werden, was den Betrieb der Triebwerke beeinträchtigt. Es wird darauf hingewiesen, dass der soeben anhand von 1 beschrieben Kreislauf ein getreues Beispiel eines bisherigen Kreislaufs ist und dass es davon praktisch ebenso viele Varianten gibt wie Triebwerke. Außerdem ist die gegebene Beschreibung knapp gehalten und soll nur verständlich machen, dass die Temperatur des Brennstoffs aus verschiedenen Gründen je nach den Kreislaufbereichen, in denen sich der Brennstoff befindet, variabel ist. In der Vergangenheit gab es Turbotriebwerke mit geregelter Brennstofferwärmung, um einen Brennstoff mit einer Temperatur zu erhalten, bei der sich keine Eiskristalle bilden können. Solche geregelten Kreisläufe sind kostenaufwändig beim Einbau und verbrauchen im Betrieb viel Energie. Der Filter dieser Erfindung hat zum Zweck, die Wahrscheinlichkeit des Verstopfens oder teilweisen Zusetzens des Hauptstromfilters eines Brennstoffkreislaufs durch Vereisen herabzusetzen. Diese Verringerung der Wahrscheinlichkeit wird ohne kostenaufwändige oder platzraubende Vorrichtung und ohne eine Verkomplizierung des Kreislaufs erreicht.
Aus EP 0 166 160 A ist ein Dieselfilter bekannt, in den der von einem Tank kommende Brennstoff durch einen Einlass eintritt und durch einen Auslass aus diesem austritt, während durch einen zweiten Einlass des Filters warmer Brennstoff gelangt, der von einer Hochdruckpumpe kommt. Dieser warme Brennstoff gelangt in eine Zwischenkammer des Filters, die mit Temperaturregelungseinrichtungen ausgerüstet ist. Der warme Brennstoff wird in mehr oder weniger großer Menge über ein Rückschlagventil eingeführt und vermischt sich mit dem kalten Brennstoff aus dem Tank.
In US 4 899 535 A ist ein Flugzeug-Brennstoffkreislauf beschrieben, bei dem ein Filter, der nur einen einzigen Einlass aufweist, eine Brennstoffmenge aufnimmt, die sich aus einem Gemisch von Brennstoff aus dem Tank und einem aus dem Kreislauf abgezweigten Brennstoff ergibt.
Bei dem Filter gemäß dieser Erfindung handelt es sich also um einen Filter für einen Brennstoffkreislauf mit einem dichten Raum, der von einem Mantel gebildet wird, der ein Filterelement enthält, wobei ein Brennstoffauslass dergestalt angeordnet ist, dass der in den dichten Raum eintretende Brennstoff den Auslass nur durch das Filterelement hindurch erreichen kann, wobei der Filter zwei Einlässe aufweist, einen ersten und einen zweiten, die aus Öffnungen in dem Mantel bestehen, wobei diese zwei Einlässe direkt in den Raum münden, der das Filterelement enthält.
Bei einem Kreislauf mit einem erfindungsgemäßen Filter ist der erste Einlass beispielsweise für den Brennstoff reserviert, der keinerlei Wärmebehandlung erfahren hat und aus dem Tank kommt. Der zweite Einlass ist für den Brennstoff reserviert, der eine Wärmebehandlung erfahren hat und über einen Rücklaufkreis kommt. So nimmt das Filterelement direkt einerseits einen "warmen" Brennstoff auf, der keine Vereisungsgefahr mit sich bringt, und andererseits einen kalten Brennstoff auf, der meistens eine Temperatur von unter –9°C hat, d. h. eine Temperatur, bei der das in dem Brennstoff enthaltene Wasser in Form von Kristallen vereisen kann, womit es rasch die Verstopfung des Filters verursacht. Der warme und der kalte Brennstoff werden direkt in den Raum, der das Filterelement enthält, eingeführt, so dass kein Mischen des warmen und des kalten Brennstoffs vorab ermöglicht wird. Die Gemische von kaltem und warmem Brennstoff, die durch die Verwirbelungen im Augenblick des Eintritts in den Filter entstehen, sind insofern instabil, als man bei einer beginnenden Vereisung an einer Stelle des Filterelements begründet hoffen kann, dass diese Vereisungsbedingungen ihrerseits unstabil sind und dass die Vereisung nicht fortschreitet. Falls ferner der Brennstoff eine Temperatur hat, bei der eine Vereisung stattfinden kann, vereist der Filter nicht insgesamt über seine gesamte Fläche, sondern weist einen kalten Bereich auf, der zuerst vereist und verstopft, und einen warmen Bereich, der zuletzt vereist. Der doppelte Einlass, warm und kalt, ermöglicht eine gewisse Kontrolle, eine gewisse Ausrichtung des Vereisungsmechanismus der Oberfläche des Filterelements, durch die sich die Dauer der Funktionstüchtigkeit verlängert, ohne dass der Überbrückungskreis geöffnet wird. Dies lässt sich darauf zurückführen, dass der Druckverlust im Bereich des Filters ausreichend niedrig bleibt, da ein Teil der Filterfläche frei von Vereisung bleibt.
Ein erfindungsgemäßer Filter ist dadurch gekennzeichnet, dass er im Inneren des dichten Raums Trennwände aufweist, die das Vermischen des kalten Brennstoffs, der an einem Einlass eintritt, mit dem warmen Brennstoff, der an dem anderen Einlass eintritt, erschwert. Auf diese Weise wird die Seigerung zwischen dem kalten Brennstoff und dem warmen Brennstoff verstärkt.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Filters anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei
1 wie bereits beschrieben schematisch ein Beispiel eines bekannten Brennstoffkreislaufs mit einem bekannten Filter zeigt,
2 in einer Längsschnittansicht gemäß IV-IV von 3 einen erfindungsgemäßen Filter mit doppeltem Einlass zeigt, wobei auch die Modifikation sichtbar ist, die an einem Brennstoffkreislauf vorgenommen ist, in dem ein erfindungsgemäßen Filter mit doppeltem Einlass verwendet wird,
3 in einer Querschnittansicht gemäß III-III von 2 einen erfindungsgemäßen Filter mit doppeltem Einlass zeigt, und
4 in einer Querschnittansicht gemäß III-III von 2 einen Filter mit doppeltem Einlass gemäß einer Variante der Erfindung zeigt.
Die Elemente mit der gleichen Funktion tragen in allen Figuren die gleiche Bezugszahl. Pfeile zeigen die Strömungsrichtung des Brennstoffs an.
Die 2 und 3 zeigen Ansichten im Längsschnitt bzw. im Querschnitt von einem erfindungsgemäßen Filter 4 mit doppeltem Einlass. Ein erster Einlass 23 nimmt den kalten Brennstoff aus dem Tank auf, einen Brennstoff, der keinerlei Wärmebehandlung erfahren hat. Ein zweiter Einlass 24 nimmt den Brennstoff aus dem Rücklaufkreis auf, von dem zumindest ein Teil erwärmt worden ist und der aus diesem Grund warmer Brennstoff genannt wird, obwohl auch seine Temperatur niedrig ist, sich in der Größenordnung von Zig Grad Celsius bewegt. Durch diese Einlässe 23, 24 wird der Brennstoff in einen dichten Raum 7 eingeführt, der in dem dargestellten Beispiel, ohne dass dies eine Einschränkung darstellt, von einem Mantel 40 mit zylindrischer Form mit der Achse AA' gebildet wird. Der Raum wird also von zwei quer liegenden Flanschen 25, 26 und von einem parallel zur Achse AA' verlaufenden axialen Ring 27 umgrenzt, die zusammen den Mantel 40 bilden. Vorteilhafterweise besteht mindestens einer der Einlässe 23, 24 aus einer bohnenförmigen Öffnung 41 in dem einen oder dem anderen der Flansche 25, 26. In dem dargestellten Beispiel ist die Öffnung 41 einerseits von zwei konzentrischen Kreisbögen 28, 38, die jeweils ein Ende aufweisen, und andererseits von Anschlusskurven 29, 30 umgrenzt. Jede dieser Anschlusskurven 29, 30 verbindet zwei Enden von Kreisbögen 28, 38 miteinander. Vorzugsweise sind die Kreisbögen 28, 38, die die Bohnen umgrenzen, auf der Achse AA' zentriert. In dem in 3 dargestellten Beispiel haben die beiden Einlässe 23, 24 eine Bohnenform, es wurde aber nur die eine der Bohnen nummeriert. Der Raum 7 enthält in bekannter Weise ein Filterelement 8. Dieses Filterelement 8 unterteilt den Raum in zwei Bereiche, einen Aufnahmebereich 20 und einen Auslassbereich 22. Die Einlassöffnungen 23, 24 des Raums 7 befinden sich beide auf einer Seite des Filterelements 8, und zwar so, dass sie in den Aufnahmebereich 20 münden. Die Auslassöffnung 6 befindet sich auf der anderen Seite des Filterelements 8, so dass sie den Brennstoff aufnimmt, nachdem er das Filterelement 8 passiert hat. In dem dargestellten Beispiel befindet sich der Aufnahmebereich 20 am Außenumfang des Raums 7 und der Auslassbereich 22 in dessen Mitte. Die beiden Einlassöffnungen 23, 24 liegen einander diametral gegenüber. Auf diese Weise zeigt der kalte Brennstoff die Tendenz, in dem auf der Seite des ersten Einlasses 23 befindlichen Teil 33 des Aufnahmebereichs 20 zu bleiben, während der warme Brennstoff die Tendenz zeigt, in dem auf der Seite des zweiten Einlasses 24 befindlichen Teil 34 des Aufnahmebereichs 20 zu bleiben. Auf diese Weise neigt bei Vereisungsbedingungen lediglich der Teil 36 des Filterelements 8, der sich auf der Seite des ersten Einlasses 23 befindet, dazu, durch Absetzen von Eiskristallen zu verstopfen. Der andere Teil 37 des Filterelements 8, der den warmen Brennstoff aufnimmt, bleibt frei. Auf diese Weise reicht der Druckverlust im Bereich des Filterelements 8 nicht aus, um das Öffnen des Überbrückungskreises des Filters zu bewirken. Um diese Tendenz zur Seigerung des warmen und des kalten Brennstoffs zu verstärken, können, wie in 4 dargestellt, vorteilhaft Trennwände 31, 32 vorgesehen werden, die von dem Mantel 40 aus zwischen den beiden Teilen 33, 34 in den Bereich 20 hineinragen. Die Trennwände 31, 32 können, wie in 4 dargestellt, eine Breite haben, die gleich dem Abstand zwischen dem Filterelement 8 und der Seitenfläche 27 ist. Sie können auch eine geringere Breite haben und sich nicht über die gesamte axiale Länge des Raums 7 erstrecken oder auch durchbrochen sein. In dem dargestellten Beispiel stehen die Trennwände 31, 32 diametral gegenüber dem Ring 27 hervor.
Es wird nun anhand von 2 die Modifikation besprochen, die an dem Kreislauf für die Verwendung eines erfindungsgemäßen Filters vorgenommen wird. Zunächst muss angemerkt werden, dass ein erfindungsgemäßer Filter in jedem Kreislauf verwendet werden kann, dessen verschiedene Teile Brennstoff mit verschiedenen Temperaturen enthalten. Sodann muss angemerkt werden, dass bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Filters die allgemeine Anordnung des Kreislaufs nur sehr wenig verändert werden muss. So zeigt 2 die durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Filters vorgenommene Modifikation des Teils des Kreislaufs, der in 1 von einer gepunkteten Linie umzogen ist. In 1 ist zu sehen, dass der Kontakt mit dem kalten Brennstoff, der durch eine Rohrleitung 21 zum einzigen Einlass 5 des Filters 4 geleitet wird, im Bereich eines Verbindungsanschlusses 19 der Rohrleitung 21 und der Rohrleitung 17, die den warmen Brennstoff in den Hauptstrombrennstoffkreislauf zurückführt, stattfindet. Dieser Anschluss 19 befindet sich vor dem Filter 4. In 2 besteht die einzige an dem Kreislauf vorgenommene Modifikation darin, dass dieser Verbindungsanschluss 19 weggelassen ist. Dabei findet der Kontakt zwischen dem warmen und dem kalten Brennstoff, oder allgemein zwischen den Brennstoffen mit unterschiedlichen Temperaturen, im Filter statt, in den der kalte Brennstoff durch den Einlass 23 eindringt, während der warme Brennstoff durch den Einlass 24 eindringt. So ist der erste Einlass 23 mit einer Rohrleitung 35 verbunden, die von der Pumpe 2 herführt, welche den Brennstoff aus einem Tank des Flugzeugs schöpft, während der zweite Einlass 24 mit der Rohrleitung 17 verbunden ist, die an den Wärmetauscher 13 angeschlossen ist, in dem der Brennstoff als Kühlfluid verwendet wurde.
Es wird betont, dass die soeben anhand der oben angeführten 2 bis 4 beschriebenen Ausführungsformen lediglich Beispiele darstellen und dass erfindungsgemäße Ausführungen an jede bekannte Filterform angepasst werden können, die modifiziert werden kann, um einen zusätzlichen Einlass und eventuell eine oder mehrere Trennwände zur Seigerung des kalten und des warmen Brennstoffs einzuführen, wobei diese Trennwand oder Trennwände von dem Mantel aus zwischen den beiden Einlässen 23, 24 ins Innere des Mantels hineinragen. Ein solcher Filter kann nicht nur in einem Flugzeug-Kreislauf, sondern auch für andere Vorrichtungen verwendet werden.

Claims

Filter (4) für einen Brennstoffkreislauf mit einem dichten Raum (7), der von einem Mantel (40) gebildet wird, der ein Filterelement (8) enthält, wobei ein Brennstoffauslass (6) dergestalt angeordnet ist, dass der in den dichten Raum (7) eintretende Brennstoff den Auslass (6) nur durch das Filterelement (8) hindurch erreichen kann, wobei der Filter (4) zwei Einlässe (23, 24) aufweist, einen ersten (23) und einen zweiten (24), wobei diese zwei Einlässe aus Öffnungen in dem den dichten Raum (7) bildenden Mantel (40) bestehen, wobei diese zwei Einlässe (23, 24) direkt in den Raum (7) münden, der das Filterelement (8) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der dichte Raum (7), der dieses Filterelement (8) enthält, von einem Mantel (40) gebildet wird, der mit Öffnungen (23, 24) versehen ist, die die Einlässe (23, 24) des Raums (7) bilden, wobei dieser Mantel (40) mindestens eine Trennwand (31, 32) trägt, die zwischen den beiden Einlässen (23, 24) von dem Mantel (40) hervorsteht.
Hauptstromfilter (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Mantel (40) eine zylindrische Form mit der Achse AA' aufweist, die von einem axialen Ring (27) und zwei quer liegenden Flanschen (25, 26) gebildet wird.
Hauptstromfilter (4) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Einlassöffnungen (23, 24) eine Bohnenform aufweist.
Brennstoffkreislauf, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens ein Filter (4) gemäß einem der vorherigen Ansprüche enthält, wobei der erste Einlass (23) Brennstoff mit einer anderen Temperatur als der des von dem zweiten Einlass (24) aufgenommenen Brennstoffs aufnimmt.
Brennstoffkreislauf für Flugzeuge nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einlass (23) mit einer Rohrleitung (35) verbunden ist, die von einer Pumpe (2) herführt, welche den Brennstoff aus einem Tank des Flugzeugs schöpft, wobei der zweite Einlass (24) mit einer Rohrleitung (17) verbunden ist, die Brennstoff aufnimmt, der von einem Wärmetauscher (13) kommt, in dem der Brennstoff ein Kühlfluid ist.