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Die vorliegende Erfindung betrifft die Entfernung von Staub, Sand
und anderen Partikeln aus einem Luftstrom. Die vorliegende
Erfindung betrifft insbesondere die Entfernung von feinem Staub
und von Partikeln aus dem Einlaßluftstrom eines mobilen
Turbinenmotors, ohne daß schwere Konstruktionen oder Filtermedien
verwendet werden müssen, wobei letztere unter sehr staubigen
Bedingungen verstopfen können. Bei gewerblichen Anwendungen, bei
denen stationäre Konstruktionen verwendet werden, wird eine erste
Luftreinigung häufig durch die Verwendung großer Fliehkraft-
Vorrichtungen erreicht. Danach können Filtertüten oder
Plattenfiltermedien weitere Partikel aus den Einlaßluftstrom
entfernen. Ein mobiler Turbinenmotor, der zum Beispiel in einem
Hubschrauber, einem Flugzeug-Bodenanlaßwagen oder in einem
mobilen elektrischen Generator eingesetzt wird, kann nicht mit
einem massiven und schweren Staubabscheider versehen werden.
Andererseits sind es gerade diese mobilen Anwendungsbereiche
eines Turbinenmotors unter unvorbereiteten Umständen, die den
Motor häufig äußerst ungünstigen staubigen Betriebsbedingungen
aussetzen.
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In Anbetracht der vorstehenden Ausführungen wird deutlich, daß
seit langem und mühsam nach einer Abscheidevorrichtung für Staub
und Partikel für den Einlaß von Turbinenmotoren gesucht wird,
wobei die Vorrichtung klein und leicht sein muß und nur einen
geringen Druckabfall mit sich bringen darf, wobei die Vorrichtung
sehr effektiv sein muß. In dem U.S. PatentUS-A-3.970.439, das am
20. Juli 1976 an Joseph P. Murphy (nachstehend Patent '439
genannt) erteilt worden ist, ist ein Beispiel für eine
plattenartige Partikel-Abscheidevorrichtung vorgesehen. Die
Platten-Abscheidevorrichtung aus dem Patent '439 setzt sich aus
einer Mehrzahl identischer, nebeneinanderliegender Kanäle
zusammen. Die Abscheidung der Partikel erfolgt. durch
Beschleunigung der Partikel auf eine hohe Geschwindigkeit in dem
Luftstrom, wobei der Luftstrom danach umgelenkt wird, so daß die
Partikel durch ihre eigene Trägheit gerade in einen Sammelbereich
getragen werden. Die Partikel aus dem Sainmelbereich werden nach
außen abgestoßen. Die Einlässe in die Partikelsammelbereiche sind
so konfiguriert, daß sie abprallende Partikel in den
Sammelbereich und nicht in den Motorluftstrom leiten.
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Im allgemeinen passen die plattenartigen Filter jedoch nicht
sonderlich gut in die Konstruktionsweisen eines Turbinenmotors.
Bei einer Betrachtung der Figuren der Zeichnungen des Patents
'439 wird schnell deutlich wie die rechteckige, prismatische
Struktur des Plattenfilters im Konflikt mit den wesentlichen
Strukturen eines Turbinenmotors steht. Diese wesentlichen
Strukturen sind im allgemeinen zylinderförmig und sie sind ferner
axial gestapelt. Ferner wird davon ausgegangen, daß der
Plattenfilter des Patents '439 dann am besten funktioniert, wenn
der Einlaßluftstrom vertikal nach unten in die Platte strömt.
Dadurch wird die Installation eines Turbinenmotors mit einem
Plattenfilter gemäß dem Patent '439 stark eingeschränkt. Ferner
erfordert der plattenartige Filter eine Umgehungsleitung und ein
Ventilelement, das bei Vereisungen geöffnet werden kann. Eine
starke Vereisung kann ansonsten große Stücke einer plattenartigen
Abscheidevorrichtung verdecken.
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In der Fachdokumentation mit dem Titel Integral Engine Inlet
Particle Separator, Band II - Design Guide, der General Electric
Company für das Mobilitäts-Forschungs- und Entwicklungslabor der
U.S. Army in Fort Eustis, Virginia, vom August 1975, welche die
Dokumentennummer USAAMRDL-TR-75-31B aufweist, ist auf den Seiten
20 und 68-79 eine Alternative für die Lösung des Problems der
Entfernung von Staub und Partikeln aus dem Luftstrom in einen
Turbinenmotor offenbart, wobei ein axial strömender Luftstrom
manipuliert wird. Von weiterem Interesse sind die folgenden U.S.
Patente: US-A-3.766.719, das am 23. Oktober 1973 an William Jr.
NcAnally, III erteilt worden ist; US-A-3.977.811, das am 31.
August 1976 an Charles Kuintyle Jr. erteilt worden ist; US-A-
4.509.962, das am 9. April 1985 an Daniel S. Breitman u.a.
erteilt worden ist; US-A-4.527.387, das am 9. Juli 1985 an Frank
A. Lastrina u.a. erteilt worden ist; und US-A-4.685.942, das am
11. August 1987 an David D. Klassen erteilt worden ist (wobei die
Patente nachstehend folgende Bezeichnungen aufweisen: die Patente
'719; '811; '962; '387 und '942). Die Fachdokumentation und die
Patente stellen eine interessante Chronologie der Entwicklung des
Axialeinlaß-Partikelabscheiders dar. Diese Art von
Partikelabscheider stellt in der Industrie zur Zeit allgemein die
Norm dar und findet weitverbreitete Anwendung, und zwar
insbesondere bei Hubschrauber-Turbinenmotoren.
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Im allgemeinen erreicht der herkömmliche Axialeinlaß-
Partikelabscheider die Abscheidung von Partikeln durch
verschiedene Kombinationen von Aero-Trägheitseffekten (Wirbeln,
radiale und axiale Beschleunigungen), Partikel-Flugbahnregelung,
Partikel-Grenzabprallvoraussage und Spülluftstromregelung. Die
verwendete, bestimmte Kombination dieser Effekte ist von Design
zu Design unterschiedlich. Die besten herkömmlichen Axial-
Partikelabscheider erreichen jedoch eine Effektivität von 95% mit
MIL STD 5007-C Spezialsand (0-1000u) und eine Effektivität von
85% mit groben (0-200u) AC-Partikeln.
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Selbst die besten herkömmlichen Axialeinlaß-Partikelabscheider
sind bezüglich des Gewichts und der Größe nicht optimal, und zwar
insbesondere in Anbetracht der Tatsache, daß sie die axiale Länge
des Turbinenmotors beträchtlich erhöhen. Dies wird aus den
Figuren der Zeichnungen der Patente '719 bzw. '962 leicht
deutlich. Da der gesamte Turbinenmotor bzw. ein Teilstück dessen
dargestellt ist, kann ermessen werden wie die axiale Länge durch
einen Axial-Abscheider erhöht wird, der so bemessen ist, daß er
den Einlaßluftstrom eines herkömmlichen Turbinenmotors
akkomodiert. Wie dies deutlich wird, kann diese zusätzliche Länge
20% bis 50% oder mehr der Länge des Turbinenmotors betragen. Das
zusätzliche Gewicht dieser Axial-Partikalabscheider ist ebenfalls
signifikant.
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In den U.S. Patenten US-A-3.371.471 und US-A-3.521.431, die am 5.
März 1968 bzw. am 21. Juli 1970 an H.D. Connors u.a. erteilt
wurden (die nachstehend als die Patente '471 und '431 bezeichnet
werden) ist eine alternative Annäherung zur Lösung des Problems
des Abscheidens von Staub und Partikeln aus dem Einlaßluftstrom
eines Turbinenmotors offenbart. Die Lehren aus den Patenten von
Connors u.a. zeigen einen Partikelabscheider mit einem Paar
krummliniger Wände, die axial und radial beabstandet sind, um
einen ringförmigen Einlaßströmungsweg zu begrenzen, der sich
radial einwärts und axial zu dem Motoreinlaß erstreckt. Der
Luftstrom folgt hauptsächlich aufgrund der Zentrifugalkraft bzw.
genauer gesagt wegen der Trägheit der Partikel und einem
gekrümmten Strömungsweg, wobei die Partikel bezüglich der
Krümmung des Strömungswegs gegen eine Außenwand der Wände
geleitet werden. Eine Abscheiderschnauze sammelt die Partikel
zusammen mit einem Trägerluftstrom, der von dem Einlaßluftstrom
getrennt ist. Die Partikel in dem Trägerluftstrom werden dann in
einer Kammer gesammelt, und der Großteil des Trägerluftstroms
wird zu dem Motoreinlaß geleitet.
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Mit Ausnahme der Struktur zum Abscheiden der Partikel aus dem
Trägerluftstrom und zum Sammeln der Partikel würde der
Partikelabscheider von Connors u.a. sehr gut in die wesentliche
Struktur eines Turbinenmotors passen. Wenn man die Gesamtheit des
Partikelabscheiders von Connors u.a. betrachtet, so ist dieser
jedoch fast genauso sperrig wie die herkömmlichen Axial-
Partikelabscheider.
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Was jedoch von größerer Bedeutung ist, ist die enttäuschend
geringe Effektivität der Partikelabscheidung der Abscheider von
Connors u.a. Diese geringe Gesamteffektivität wird dadurch
verstärkt, daß die Effektivität der Abscheidung umfänglich nicht
gleichmäßig ist, und zwar insbesondere bei Partikeln mit
bestimmten Größen und Gewichten. Der obere Quadrant des
Abscheiders kann zum Beispiel eine ausreichende Abscheidung von
Partikeln vorsehen, die nach unten in den Abscheider strömen.
Wobei der untere Quadrant jedoch eine sehr schlechte
Abscheidungsfähigkeit aufweisen kann, wobei der Effekt des
Gravitationsvektors auf die Partikel und deren erwünschte
Bewegung zu einer Abscheiderwand in dem unteren Quadranten
entgegengesetzt ist.
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Die Gesamtabscheidungseffizienz eines Abscheiders nach Connors
u.a. kann auf prozentualer Basis marginal zwar zulässig sein,
doch kann die erwähnte umfängliche Ungleichmäßigkeit der
Abscheidung für den Turbinenmotor sehr nachteilig bzw. schädlich
sein. Das heißt, daß der Lufstrom in dem obigen Beispiel von dem
unteren Quadranten des Abscheiders durch den Turbinenmotor
strömen kann und dabei eine ziemlich hochkonzentrierte Ladung von
Partikel mit sich führt. Dieser mit Partikeln geladene Luftstrom
von dem unteren Quadranten des Abscheiders verteilt sich nicht
umfänglich, so daß die Motorkonstruktion nur durch die
durchschnittliche Partikelladung beschädigt wird. Stattdessen
bleibt die partikelhaltige Luft konzentriert und trifft
kontinuierlich auf einem bestimmten Abschnitt der statischen
Struktur des Motors auf, wobei dieser Abschnitt der Struktur
stark erodiert wird. Ferner trifft die Rotationskonstruktion und
insbesondere die erste Verdichterstufe bei jeder Umdrehung auf
den konzentrierten Partikelstrom. Da es sich bei dem
Strukturabrieb, der Erosion und dem Verfall nicht unbedingt um
lineare Funktionen der Partikelexposition handelt, sondern etwa
um komplexe interaktive Funktionen, kann die Rotationsstruktur
des Motors durch die Partikelkonzentration mehr beschädigt werden
als wie dies erwartet worden war. Der konzentrierte Partikelstrom
kann die Motorkonstruktion also weitaus mehr beschädigen als die
gleiche Konzentration von Partikeln, die in dem Einlaßluftstrom
gleichmäßig verteilt ist. Die Anmelder gehen davon aus, daß die
Radialeinlaß-Partikelabscheider von Connors u.a. nur bedingten
Erfolg erzielen konnten.
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In Anbetracht der Unzulänglichkeiten herkömmlicher Radial-
Partikelabscheider ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen kompakten, hochwirksamen Radialeinlaß-
Partikelabscheider vorzusehen, der gut in die wesentlichen
Strukturen eines Turbinenmotors paßt und der eine umfängliche
Ungleichmäßigkeit der Partikelabscheidung verhindert.
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Zu diesem Zweck haben die Anmelder Prototypen von Radialeinlaß-
Partikelabscheidern gestaltet, wobei Designparameter der besten
herkömmlichen Axial-Partikelabscheider verwendet wurden. Diese
Prototypen der Abscheider wiesen eine enttäuschende
Leistungsfähigkeit auf, wobei sie Abscheidereffektivitäten
erzielten, die den oben beschriebenen Axialströmungsvorrichtungen
nicht entsprachen, deren Designparameter in den Prototypen
verwendet wurden. Diese Prototypen von Abscheidern waren
kompakter als die Abscheider von Connors u.a., jedoch waren sie
nur in etwa genauso leistungsfähig.
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Die Anmelder gehen davon aus, daß der Unterschied der
Funktionsfähigkeit zwischen den Axialeinlaß- und den
Radialeinlaß-Abscheidern größtenteils auf den inhärent größeren
Bereich und die resultierende Luftstrombeschleunigung bei dem
radial Einlaßstrom in die Vorrichtung zurückzuführen ist. Bei
einem Radialeinlaß-Partikelabscheider stellen die Luftstrom-
Drallbleche, die in den Patenten '811 und '387 gelehrt werden,
ebenfalls keine Möglichkeit dar, wobei diese Drallbleche dem
Luftstrom einen radial auswärts gerichtete zentrifugale
Beschleunigung verleihen, so daß Partikel in diesem Strom zu
einem Sammelbereich geschleudert werden. Die Verwendung von
Drallblechen kann für einen Abscheider insofern negativ sein, als
daß sie angesaugtes Laub bzw. angesaugte Blätter auffangen, die
den Einlaß des Motors verstopfen können, wobei. sie bei
Vereisungen ferner Eisbrocken auffangen können.
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Anbetracht der obigen Beschreibung sieht die vorliegende
Erfindung eine Radialeinlaßvorrichtung zur Abscheidung von
Partikeln gemäß Anspruch 1 vor, in dem ein bestimmtes Verhältnis
zwischen der radialen Position des Durchlaßbereichs des
Strömungswegs des Abscheiders und der axialen Abmessung des
Durchlaßbereichs definiert ist. Die Ansprüche 2 bis 9 stellen
vorteilhafte technische Merkmale dar, die in verschiedenen
Ausführungsbeispielen der Erfindung verwirklicht werden.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Kombination
der passenden Elemente bezüglich der Aero-Trägheit, der Partikel-
Flugbahn, des Grenzrückpralls und des Spülstroms, in Anbetracht
der inhärenten Strömungsbeschleunigung einer
Radialeinlaßvorrichtung, so daß eine sehr hohe und umfänglich
gleichmäßige Partikelabscheidung erreicht werden kann, ohne daß
an dem Einlaß in den Partikelabscheider Vordrallbleche
erforderlich sind.
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Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim
Lesen der folgenden genauen Beschreibung eines einzigen
bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung in Verbindung mit
den anhängigen Figuren der Zeichnungen deutlich. Es zeigen:
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Figur 1 eine Längsansicht, teilweise im Querschnitt, eines
Turbinenmotors mit einer erfindungsgemäßen
Radialeinlaßvorrichtung zur Abscheidung von Partikeln;
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Figur 2 ein eingekreistes Teilstück aus Figur 1, das vergrößert
und in gewisser Weise schematisch dargestellt ist, um die
herausragenden Merkmale des bevorzugten Ausführungsbeispiels der
Erfindung besser zu veranschaulichen.
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Figur 3 eine graphische Darstellung von Informationen bezüglich
bestimmter physikalischer Parameter des bestimmten bevorzugten
Ausführungsbeispiels der Erfindung;
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Figur 4 eine der Figur 2 ähnliche Ansicht, wobei die
geometrischen und dimensionalen Bezugspunkte dargestellt sind;
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Figur 5 eine isolierte Ansicht, teilweise im Querschnitt, eines
Bestandteils des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
und
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Figur 6 eine auseinandergezogene Perspektivansicht der
Bestandteile des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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In Figur 1 umfaßt ein Turbinenmotor 10 ein Gehäuse 12. Das
Gehäuse 12 definiert einen ringförmigen Einlaß 14, der umfänglich
im wesentlichen ununterbrochen ist und der sich von der Umgebung
radial einwärts zu einem Strömungsweg 16 öffnet. Ein allgemein
mit der Bezugsziffer 18 bezeichnetes Rotorelement lagert in dem
Gehäuse 12 und wirkt mit diesem zusammen, um den Strömungsweg 16
zu begrenzen.
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Der Strömungsweg 16 führt zuerst zu einem Verdichterrotorbereich
20 des Rotorelements 18. Durch eine Rotation des Rotorelements 18
saugt der Verdichterrotorbereich 20 Umgebungsluft durch den
Einlaß 14 an und schickt diese Luft unter Druck an einen
Druckluftplenumbereich 22 des Strömungswegs 16, wie dies durch
die Luftstrompfeile 24 dargestellt ist. Ein Combustorgefüge 26
(von dem in Figur 1 nur ein Teil sichtbar ist) befindet sich in
dem Druckluftplenum 22. Die Druckluft aus dem Plenum 22 strömt
durch perforierte Abschnitte des Combustorgefüges 26 in eine
Verbrennungskammer 28, wo die Druckluft mit Brennstoff gemischt
wird, um die Verbrennung zu unterstützen.
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Somit wird deutlich, daß das Combustorgefüge 26 einen Teil des
Strömungswegs 16 bildet und daß die darin erzeugten, unter Druck
stehenden Hochtemperatur-Verbrennungsprodukte über einen
Combustorauslaß 30 zu einem Turbinenrotorabschnitt 32 des
Rotorelements 18 strömen, wie dies durch die Pfeile 34
dargestellt ist. Der Turbinenrotorabschnitt 32 breitet die
Verbrennungsprodukte zu der Umgebung hin aus, um daraus
mechanische Leistung zu gewinnen. Der Turbinenrotorabschnitt 32
treibt das Rotorelement 18 an, das sowohl den
Verdichterrotorabschnitt 20 als auch einen vorstehenden
Leistungsabtriebswellenabschnitt 36 umfaßt. Von dem
Turbinenrotorabschnitt 32 strömen die Verbrennungsprodukte durch
einen Folgeabschnittt des Strömungswegs 16 und sie werden über
einen Auslaß 38 in die Umgebung ausgestossen.
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In Figur 2 ist ein eingekreistes Teilstück des Turbinenmotors 10
aus Figur 1 sowohl vergrößert als auch in gewisser Weise
schematisch dargestellt, um die herausragenden Einzelheiten der
Struktur besser zu veranschaulichen. Der Turbinenmotor 10 umfaßt
genauer ausgedrückt eine Konstruktion, die eine
Radialeinlaßvorrichtung zur Abscheidung von Partikeln definiert,
die allgemein durch die Bezugsziffer 40 bezeichnet ist. Die
Radialeinlaßvorrichtung zur Abscheidung von Partikeln 40
definiert den Einlaß 14 und erste Teile des Strömungswegs 16 vor
dem Verdichterrotorabschnitt 20. Die Radialeinlaßvorrichtung zur
Abscheidung von Partikeln 40 umfaßt in Einzelheiten ein Paar
axial und radial beabstandeter Wandabschnitte 42, 44 des Gehäuses
12. Die Wände 42, 44 bilden zusammen den ersten Teil des
Strömungswegs 16, der von dem Einlaß 14 radial nach innen führt.
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Radial einwärts des Einlasses 14 bildet die Wand 42 einen axial
konvexen Oberflächenbereich 46, der axial und radial einwärts zu
einem sich allgemein radial erstreckeden und geringfügig axialen,
konvexen Oberflächenbereich 48 führt. Die Wand 42 verläuft von
dem konvexen Abschnitt 48 radial einwärts zu einem sich radial
erstreckenden, axialen, konvexen Oberflächenbereich 50, der die
axiale Richtung der Wand 42 umkehrt. Das heißt, daß der
Oberflächenbereich 50 der Wand einen axialen Vorsprung bildet,
der zu der Wand 44 vorsteht. Ferner führt der Wandbereich 50 in
eine Vertiefung bzw. eine Austiefung, die allgemein durch die
Bezugsziffer 52 bezeichnet ist, wobei der Bereich ferner eine
Rückbiegung zu der Wand 42 aufweist. Von dem
Wandoberflächenbereich 50 definiert die Wand 42 einen
Oberflächenbereich 54, der sich radial einwärts und axial in die
Vertiefung 52 erstreckt. Von dem Oberflächenbereich 54 radial
einwärts kehrt die Wand 42 ihre Krümmungsrichtung im Querschnitt
um und in einem Oberflächenbereich 56 ist sie axial konkav. Der
axial konkave Oberflächenbereich 56 der Wand 42 verläuft weiter
radial einwärts und wechselt von der radialen Richtung und
verläuft axial weiter und begrenzt das radial innere Ausmaß des
Strömungswegs 16 an dem Einlaß des Verdichterrotorabschnitts 20.
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Mit einem axialen Zwischenabstand versehen und der Wand 42
gegenüberstehend umfaßt die Wand 44 einen sich axial
erstreckenden, radial auswärts angeordneten Oberflächenbereich
58. Der Oberflächenbereich 58 wirkt mit dem sich radial
erstreckenden, allgemein konkaven bzw. konischen
Oberflächenbereich 60 zusammen, um eine sich umfänglich
erstreckende, ununterbrochene axiale Erhöhung 62 zu definieren.
Die Erhöhung 62 befindet sich radial auswärts der Erhöhung 50 der
Wand 42 und erstreckt sich in die entgegengesetzte axiale
Richtung. An der Erhöhung 62 bildet die Wand 42 einen
verhältnismäßig spitzen Biegeradius, der allgemein mit der
Bezugsziffer 64 bezeichnet ist. Der Oberflächenbereich 60
erstreckt sich radial einwärts und axial mit einer graduellen
konkaven Krümmung, so daß er an dem Pfeil 66 mit der Wand 42
zusammenwirkt, um einen ringförmigen Durchlaß zu bilden. An dem
durch den Pfeil 66 bezeichneten ringförmigen Durchlaß bilden die
Wände 42 und 44 zusammenwirkend den minimalen Querschnittsbereich
des Strömungswegs 16, der für die radiale Einwärtsströmung von
Luft in den Abscheider 40 zur Verfügung steht.
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Radial einwärts des Durchlasses umfaßt die Wand 44 einen
Oberflächenbereich 60, der sich radial erstreckt und der axial in
eine zu der axialen Konkavität des Wandoberflächenbereichs 66
entgegengesetzte Richtung gekrümmt ist. Anders ausgedrückt ist
der Oberflächenbereich 68 axial aus der axialen Vertiefung
gekrümmt, die durch den Oberflächenbereich 54 definiert ist.
Unterhalb des Durchlasses 66 divergieren ferner die Oberflächen
54 und 68, so daß sie den Strömungsbereich des Strömungswegs 16
trotz der radialen Einwärtsströmungsrichtung erhöhen. Bei 70
kehrt sich die Krümmung der Oberfläche der Wand 44 um, so daß
eine Rückbiegung vorgesehen wird, und wobei der
Oberflächenbereich 72 der Wand allgemein axial in einen
Spülhohlraum 74 führt, was nachstehend genauer erläutert wird.
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In dem Bereich der Vertiefung 52 befindet sich ein sich radial
und axial erstreckendes, ringförmiges Verteilerelement, das
allgemein mit der Bezugsziffer 76 bezeichnet ist, mit
Zwischenabstand zwischen den Wänden 42 und 44. Das
Verteilerelement 76 liegt allgemein gegenüber den
Oberflächenbereichen 54 und 56 der Wand 42, so daß der
Strömungsweg 16 zusammenwirkend lokal begrenzt wird. Das
Verteilerelement 76 liegt ferner gegenüber den
Oberflächenbereichen 70 und 72 der Wand 44, um einen sich radial
einwärts und axial erstreckenden Spülstromweg zu begrenzen, der
durch die Bezugsziffer 78 bezeichnet wird, und wobei der Weg in
Verbindung mit dem Spülhohlraum 74 steht.
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Das Verteilerelement 76 umfaßt einen ringförmigen
Oberflächenlinienabschnitt, bzw. eine Verteilerlinie, die mit der
Bezugsziffer 80 bezeichnet ist, wobei der Abschnitt gegenüber dem
Einlaß 14 liegt, und wobei der Luftstrom über den Strömungsweg 16
eintritt. Der Linienoberflächenabschnitt 80 bezeichnet eine
Grenzlinie, an der sich der in dem Weg 16 andauernde Luftstrom
von dem Luftstrom in dem Strömungsweg 78 in den Spülhohlraum 74
trennt. Unterhalb der Verteilerlinie 80 erstreckt sich eine
ringförmig angeordnete Mehrzahl von Spülstrom-Umlenkblechen 82
axial zwischen der Wand 44 und dem Verteilerelement 76. Die
Bleche 82 sorgen für eine axiale und radiale Verbindung zwischen
der Wand 44 und dem Verteilerelement 76 und sie erstrecken sich
von einer stromabwärts zu der Verteilerlinie 80 beabstandeten
Position zu dem Spülhohlraum 74 mit einer umfänglichen Krümmung.
Die Bleche 82 lenken den Luftstrom in dem Strömungsweg 78 von
einer radial einwärtsgerichteten und axialen Richtung in eine
umfängliche Richtung zur Einführung in den Hohlraum 74 um.
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Wenn die Figuren 5 und 6 zusammen betrachtet werden, wird
deutlich, daß der Spülhohlraum 74 tatsächlich spiralförmig ist.
Das heißt, der Hohlraum 74 erstreckt sich umfänglich um den
Strömungsweg 16 mit ansteigender axialer Tiefe und radialem
Ausmaß, so daß von einem Ende 84 zu einem Spülleitungsauslaß 86
ein größerer Querschnitts-Strömungsbereich vorgesehen ist. Der
Auslaß 86 ist radial allgemein mit dem Ende 84 ausgerichtet und
befindet sich radial auswärts von diesem. Der Spülhohlraum 74
sorgt somit für eine im wesentlichen vollständige Verbindung von
dem Spülströmungsweg 78 zu dem Auslaß 86 der Leitung, wobei der
Hohlraum für eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung des
Spülluftstroms sorgt. Der Auslaß 86 der Spülleitung steht in
Verbindung mit einem Spülgebläse bzw. mit einem Spülaspirator 88,
wie dies in Figur 5 schematisch dargestellt ist. Der
Spülaspirator 88 wird durch den Motor 10 angetrieben und ist
während dem Betrieb des Motors zu jeder Zeit funktionsfähig, um
einen vorbestimmten Teil des in den Einlaß 14 eintretenden
Luftstroms abzusaugen.
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Die Figur 3 zeigt eine graphische Querschnitts-Darstellung des
umfänglichen Strömungsbereichs des Spülhohlraums 74 von dem Ende
84 umfänglich um 360º zu dem Auslaß 86 der Spülleitung. Wie dies
durch die Linie 90 dargestellt ist vergrößert sich der Bereich
des Hohlraums 74 gemäß einer im wesentlichen linearen Kurve. Zur
Feinabstimmung der umfänglichen Verteilung des Spülluftstroms an
der Verbindung des Spülluftstroms 78 mit dem Strömungsweg 16
befindet sich an der Verbindungsstelle der Spülstromwegs 78 mit
dem Spülhohlraum 74 eine halbmondförmige Drosselplatte 92. Die
Drosselplatte 92 (die in der Figur 2 am besten zu erkennen ist)
verändert den effektiv verfügbaren Spülströmungsbereich von der
Linie 90 zu dem durch die Linie 94 aus Figur 3 dargestellten
Bereich. Mit anderen Worten erhöht die halbmondförmige
Drosselplatte 92 die Übertragungsverbindung des Spülluftstroms
nahe dem Ende 84 und verringert die Strömung nahe dem Auslaß 86
der Spülleitung im Vergleich zu der normalen Spiralform des
Hohlraums 74.
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Bei einer Betrachtung von Figur 4 ist die gleiche Konstruktion
wie in Figur 2 dargestellt, mit der Ausnahme, daß einige der
Bezugsziffern und Führungslinien (mit Ausnahme des Durchlaßpfeils
66) weggelassen worden sind, um mehr Platz für die geometrischen
und dimensionalen Bezeichnungen zu schaffen. Wie dies in Figur 4
dargestellt ist definiert der Abscheider 40 ein Winkelpaar 96 und
98 im Verhältnis zu den radialen Ebenen, wobei der erste Winkel
die axiale Neigung des Strömungswegs 16 von dem Einlaß 14 zu dem
Durchlaß 66 an der Oberfläche 50 der Wand 42 definiert. Auf
ähnliche Weise begrenzt die Wand 44 an der Oberfläche 60 den
Winkel 98 von der Erhöhung 62 zu dem Durchlaß 66. Vorzugsweise
beträgt der Winkel 96 25º, wobei es auch zulässig ist, daß der
Winkel in dem Bereich von 25º bis 40º liegt. Der Winkel 98
beträgt vorzugsweise 10,5º, wobei es auch zulässig ist, daß der
Winkel in dem Bereich liegt, der sich an einer Seite des
bevorzugten Winkels um weitere 5º erstreckt, das heißt von 5,5º
bis 15,5º.
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In Figur 4 sind ferner mehrere axiale und radiale Abmessungen
dargestellt, einschließlich der Abmessungen AXS, T, Rs und RT.
Unter Verwendung dieser Dimensionen konnten viele dimensionslose
Verhältnisse ermittelt werden, die für das Erreichen einer
zulässig hohen Abscheidungseffizienz des Abscheiders 40 wichtig
sind. Zu diesen Verhältnissen gehören folgende Verhältnisse:
Verhältnis
Bevorzugter Wert
Bereich
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Hiermit wird festgestellt, daß sich die obige Bezeichnung T auf
die axiale Abmessung des Durchlasses 66 bezieht, und wobei alle
obigen dimensionslosen Verhältnisse im bezug auf T dargestellt
sind. Bezüglich der obigen Darstellung haben die Anmelder ferner
festgestellt, daß ein Verhältnis des Bereichs des Spülstromwegs
78 an dem Radius der Verteilerlinie 80 zu dem Bereich des
Durchlasses 66 vorzugsweise 0,64 beträgt (nachstehend als
Spülbereichsverhältnis bezeichnet). Dieses Spülbereichsverhältnis
kann in zulässiger Weise auch im Bereich von 0,56 bis 0,75
liegen.
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Nach der allgemeinen Beschreibung der Konstruktionsweise der
Radialeinlaßvorrichtung zur Abscheidung von Partikeln 40 folgt
nun die Beschreibung der Funktionsweise der Vorrichtung. Beim
Betrieb des Turbinenmotors 10 dreht sich der
Verdichterrotorabschnitt um Umgebungsluft durch den Einlaß 14 und
den Strömungsweg 16 anzusaugen, wobei ein unter dem
Umgebungsdruck liegender Druck auf den Strömungsweg übertragen
wird. Die einströmende Luft strömt zwischen den Wänden 42 und 44
in dem Strömungsweg 16 radial einwärts und sie kann mitgeführte
Partikel aufweisen. Diese an dem Einlaß 14 aufgenommenen Partikel
können von unterschiedlicher Größe und Dichte sein. Die Partikel
können anders ausgedrückt von talkartigem Staub bis hin zu
Sandkörnern reichen, wobei gelegentlich sogar Kiesel vorkommen
können. Wenn die Luft radial einwärts zu dem Durchlaß 66 strömt,
so führt die inhärente Verringerung des Strömungsbereichs zu
einer Beschleunigung des Luftstroms.
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Die Anmelder haben festgestellt, daß an dem Durchlaß 66 eine
Luftstromgeschwindigkeit von 0,26 Mach zu bevorzugen ist. Der
Zulässigkeitbereich für die Geschwindigkeit an dem Durchlaß 66
liegt jedoch zwischen 0,20 und 0,35 Mach. Bei dieser
Beschleunigung des Luftstroms reagieren die Partikel abhängig von
deren Größe und Dichte auf unterschiedliche Weise. Das heißt,
staubfeine und leichte Partikel beschleunigen im wesentlichen mit
dem Luftstrom, so daß diese Partikel an dem Durchlaß 66 im
wesentlichen die gleiche Geschwindigkeit wie die Luft aufweisen.
Größere Partikel mit einer höheren Dichte beschleunigen wiederum
nicht so schnell wie die Luft, wobei sie jedoch eine größere
Bewegungsenergie aufweisen, die dazu neigt, die Partikel in ihre
bestimmte Bewegungsrichtung zu befördern.
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Nach dem Durchlaß 66 bzw. radial einwärts des Durchlasses
divergieren die Wände 42 und 44, um den Querschnittsbereich des
Flüssigkeitsstroms trotz des geringeren radialen Ausmaßes zu
erhöhen und um dem Strömungsweg 16 eine Rückbiegung hinzuzufügen
(siehe Pfeil 100 aus Figur 2). Das Ergebnis der Erhöhung des
Querschnittsbereichs des Flüssigkeitsstroms ist eine Verringerung
der Luftströmungsgeschwindigkeit zu dem gleichen Zeitpunkt an dem
die Luft in der Strömungsrichtung eine Ablenkung oder Umkehr der
Richtung im axialen Bereich erfährt. In dieser Krümmung und bei
der Abbremsung der Luftströmung versuchen die staubfeinen
Partikel dem Luftstrom zu folgen, wobei dies durch ihre hohe
Geschwindigkeit und ihre Bewegungsenergie verhindert wird. Somit
weichen diese staubfeinen Partikel von dem Strömungsweg 16 ab und
verlaufen geradeaus weiter, um in den Spülströmungsweg 78 rechts
von der Verteilerlinie 80 einzutreten. Siehe Figur 2. Die
kleineren Sandkörner, die an dem Durchlaß 66 noch nicht die
gleiche Geschwindigkeit wie der Luftstrom erreicht haben, sind
ebenfalls wesentlich langsamer und können dem abzweigenden
Luftstrom nicht folgen, so daß sie auch in den Spülluftstrom 78
eintreten.
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Im Gegensatz dazu werden größere Partikel, wie etwa große
Sandkörner und kleine Kieselsteine, in dem beschleunigenden
Luftstrom aus dem Durchlaß 66 bei weitem nicht so beeinträchtigt
wie kleine Partikel, und auch nicht in dem gekrümmten Luftstrom
von dem Durchlaß 66 radial einwärts. Diese Partikel folgen
aufgrund ihres Gewichts einem geradlinigen Weg. Aus diesem Grund
sieht der Abscheider 40 einen anderen Mechanismus vor, um zu
gewährleisten, daß diese Partikel in den Spülstromweg 78
eintreten. Bei einer erneuten Betrachtung von Figur 2 wird
deutlich, daß eine gerade radiale Linie von der Erhöhung 62
tangential an der Erhöhung 50 (dargestellt durch den Pfeil 102)
deutlich innerhalb der Verteilerlinie 80 in den Spülstromweg 78
fällt. Der Pfeil 102 veranschaulicht, daß sich ein durch Streifen
der Erhöhung 62 und nicht durch Abprallen von dieser auf der
Basis einer geradlinigen Bahn in den Einlaß 14 eintretendes
Partikel, das die Erhöhung 50 streift ohne von dieser
abzuprallen, in den Spülströmungsweg 78 bewegt. In der durch den
Pfeil 102 dargestellten Bahn kann eine geringfügige Krümmung zu
der Trennlinie 80 existieren, und zwar radial einwärts von dem
Durchlaß 66, da der Luftstrom (Pfeil 100) entlang dem
Strömungsweg 16 abweicht und in gewisser Weise für ein kurzes
Stück quer zu dem Pfeil 102 der Flugbahn verläuft. Das Partikel
bewegt sich trotzdem in den Spülstromweg 78. Der geradlinige
Pfeil 102 stellt auch eine Sichtlinie radial in den Abscheider 40
dar. Hiermit wird festgestellt, daß die Verteilerlinie 80 des
Verteilers 76 beim Hineinsehen in den Abscheider 40 nicht
sichtbar ist. Tatsächlich ermöglichen die zusammenwirkenden,
axial entgegengesetzten und radial beabstandeten Erhöhungen 62
und 50 beim Hineinsehen in den Abscheider 40 nur eine Betrachtung
des Spülströmungswegs 78.
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Durch die entsprechenden Flugbahnpfeile 104 für das Partikel 106
und 108 für das Partikel 110 sind zwei alternative, beispielhafte
Partikel-Flugbahnen in den Abscheider 40 dargestellt. Bezüglich
der ersten Flugbahn des Partikels 106 wird deutlich, daß das
Partikel nur radial in den Einlaß 14 eintritt bzw. in einem
geringfügigen axialen Winkel zu der Wand 42, wobei das Partikel
zuerst an dem konvexen Oberflächenbereich 48 dieser Wand
auftrifft und von diesem abprallt. Das Partikel 106 prallt zu der
Wand 44, da der Oberflächenbereich 48 konvex ist.
Unregelmäßigkeiten der Partikelform sowie der
Materialeigenschaften der Wand 48 beeinflussen zwar das Abprallen
des Partikels 106, jedoch kann davon ausgegangen werden, daß die
Rückprallbahn von der Oberfläche 48 (Pfeil 104') in etwa den
gleichen Einfalls- und Austrittswinkel aufweist. Der durch den
Pfeil 104' dargestellte Flugbahnabschnitt kreuzt zwar den
Strömungsweg 16 zu der Wand 44, so daß eine Krümmung der Bahn
durch den Luftstrom, der in etwa quer zu der Bahn des Partikels
106 beschleunigt, den Einfallswinkel an der Wand 44 verringert.
Wenn das Partikel 106 auf der Wand 44 auftrifft, so ist es
wichtig, daß der Abgangswinkel (Pfeil 104") wesentlich kleiner
ist als der Einfallswinkel, und zwar aufgrund der Konkavität des
Oberflächenbereichs 60 und der Eigenschaft der Wand 44 an sich,
wie dies später im Text genauer beschrieben wird. Nach dem
Aufprall des, Partikels 106 an der Wand 44 befindet sich das
Partikel auf der Seite einer imaginären Sammelgrenze, die durch
die gestrichelte Linie 112 dargestellt ist, die sich von der
Verteilerlinie 80 auswärts erstreckt. Aufgrund des flachen
Rückprallwinkels des Partikels 106 von der Wand 44 bleibt das
Partikel dicht genug an der Wand, so daß es unvermeidlich in den
Spülströmungsweg 78 eintritt. Die Sammelgrenze 112 erstreckt sich
von der Linie 80 auswärts durch den Strömungsweg 16 zu dem Einlaß
14 und sie ist axial an jeder radialen Station positioniert, wenn
das gleiche Verhältnis jedes Bereichs an jeder Seite im
Verhältnis zu den Wänden 42, 44 aufrechterhalten wird, wie es an
der Linie 80 existiert.
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Der Pfeil 108 und das Partikel 110 zeigen beispielhaft die andere
alternative Rückprallbahn. In diesem Fall tritt das Partikel
radial einwärts in den Einlaß 14 ein sowie in einem axialen
Winkel, der zu einem ersten Anprall an der Wand 44 führt. Wie
dies vorstehend in bezug auf die Bahn des Partikels 106
beschrieben worden ist, führen die Konkavität des
Oberflächenbereichs 60 der Wand 44 und die Eigenschaft der Wand
an sich zu einem flachen Abprall- bzw. Abgangswinkel des
Partikels 110 von der Wand 44 (Pfeil 108'). Somit tritt das
Partikel 110 in den Spülströmungsweg 78 ein, und zwar entweder
direkt oder nach zusätzlichem Abprallen von der Wand 44. Es gilt
festzustellen, daß die Wände 42 und 44 durch ihre konvexe und
konkave zusammenpassende Krümmung sowie durch das geringe
Abprallen von der Wand 44, die Partikel zu der Sammelseite der
Grenze 112 bewegen, so daß allgemein ein Austritt der Partikel
aus dieser Sammelseite der imaginären Grenze vermieden wird.
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Ein zusätzliches Merkmal dieser Abprallkontrolle der Partikel in
dem Abscheider 40 ist dadurch dargestellt, daß die
Strömungsverteilungsbleche 82 radial einwärts von der
Verteilerlinie 80 vertieft sind. Wenn die Partikel folglich in
den Spülströmungsweg 78 eintreten, so tritt ein etwaiges
Abprallen der Partikel von den Blechen 82 so tief in dem
Spülströmungsweg 78 auf, daß die abprallenden Partikel nicht in
den Strömungsweg 16 abweichen.
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In bezug auf die Figuren 1, 5 und 6 wird nun veranschaulicht wie
die strukturellen Elemente des Abscheiders kombiniert werden, um
die vorstehend beschriebenen vorteilhaften Ergebnisse zu
erzielen. Wie dies ebenfalls aus den Figuren 5 und 6 ersichtlich
ist, ist der spiralförmige Spülhohlraum 74 durch das
Zusammenwirken einer sich umfänglich erstreckenden Vertiefung
114, die durch ein Verdichterwirbelwandelement 116 definiert ist,
und eines metallischen Scheibenelements 118 (in Figur 6 am besten
sichtbar) definiert, das mit dem Wirbelwandelement gestapelt ist.
Das Wirbelwandelement 116 definiert eine zentrale Öffnung 120,
die eine Verbindung des Strömungswegs 16 mit dem
Verdichterrotorabschnitt 20 herstellt. Das Scheibenelement 118
ist axial an einer allgemein planaren Rückwand 122 mit dem
Wirbelwandelement 116 gestapelt, um mit einer daran ausgebildeten
Dichtungsoberfläche 124 (in Figur 5 am besten sichtbar)
abdichtend zusammenzuwirken, um den Spülhohlraum 74 zu begrenzen.
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Es ist von Bedeutung, daß das metallische Scheibenelement 118 die
Wand 44 und die Oberflächenbereiche 58, 60 und 68 der Wand
definiert, einschließlich der axialen Erhöhung 62 an der Grenze
des Strömungswegs 16 mit einem mit Siliziumkarbid geladenen
Epoxidüberzug. Die Anmelder haben festgestellt, daß sich zu
diesem Zweck ein Überzug mit der Bezeichnung RP-3260 der Ren
Plastics, East Lansing, Michigan, USA, einer Abteilung der Ciba-
Geigy Company, besonders eignet. Die Scheibe 118 definiert eine
gestufte zentrale Durchgangsbohrung 126, die sich in den
Spülhohlraum 74 öffnet. In dieser Bohrung 126 wird ein
Verteilerelement 128 aufgenommen, das den Verteiler 76, die
Umlenkbleche 82 und einen Ringabschnitt 130 umfaßt, der mit dem
Verteiler 76 zusammenwirkt, um den Spülströmungsweg 78 zu
gestalten. Das Verteilerelement 128 umfaßt einen
Außenoberflächenabschnitt 128' mit geringerem Diirchmesser und
einen Außenoberflächenabschnitt 128" an dem Ringabschnitt 130
mit größerem Durchmesser. Der Abschnitt 128' wird in der Bohrung
120
des Wirbelwandelements 116 aufgenommen, während der Abschnitt
128" in der Stufenbohrung 120 der Scheibe 118 sitzt. Folglich
verläuft der Spülströmungsweg 78, der zwischen dem Verteiler 76
und dem Ringabschnitt 130 definiert ist, radial einwärts in dem
Verteilerelement 128 und radial einwärts des Ringabschnitts 130
und öffnet sich axial in den Spülhohlraum. Das Verteilerelement
128 definiert eine zentrale Bohrung 132, die durch die zentrale
Öffnung 120 des Verdichter-Wirbelwandelements 116 eine Verbindung
aufweist. Die Bohrung 132 steht dadurch mit dem Strömungsweg 16
in Verbindung.
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Axial zu der Scheibe 118 und dem Verteilerelement 128 mit
Zwischenabstand angeordnet befindet sich ein Scheibenelement 134
aus Metall, das die Wand 42 begrenzt. Die Anmelder haben
festgestellt, daß das Element 134 aus Aluminium mit einem harten
Eloxalüberzug auf den Oberflächen 45-56 gestaltet werden kann, um
einem Abrieb widerstehen zu können, wenn die Partikel in den
Einlaß 14 eintreten.
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Durch Testen eines hierin beschriebenen Partikelabscheiders
konnten die Anmelder feststellen, daß die durch die Scheibe 118
definierte Wand 44 einem Abrieb durch Partikel in dem Luftstrom
gut widerstehen kann. Überraschenderweise konnte festgestellt
werden, daß die Epoxid- und Siliziumkarbid-Keramikoberfläche 60
dazu führt, daß auf der Oberfläche in einem spitzen Winkel
auftreffende Partikel in einem noch spitzeren Winkel
zurückprallen. Diese günstige Kontrolle des Grenzabprallens der
Partikel wurde in Verbindung mit Figur 2 und den Partikeln 106,
110 beschrieben. Analog kann der Unterschied der Abprallverhalten
von der glatten keramischen Oberfläche 60 im Vergleich zu einer
weicheren Oberfläche mit dem Abspringen eines Tennisballs von
einem Hartplatz und einem Sandlatz verglichen werden. Auf einem
Ascheplatz bzw. auf einem Sandplatz greift der Tennisball die
Oberfläche und konvertiert einen Teil seiner
Geschwindigkeitsenergie in die Höhe des Abspringens. Ein
Hartplatz bewirkt im Gegensatz dazu, daß der Tennisball über die
Oberfläche wischt und niedriger von dem Boden abspringt, wobei
die Geschwindigkeit nicht in die Absprunghöhe konvertiert wird.
Die Anmelder gehen somit davon aus, daß der Abriebswiderstand und
der geringe Abprallwinkel der Partikel von der Oberfläche 60 der
Keramikscheibe 118 sowohl auf die Härte als auch auf die Glätte
des keramischen Überzugs zurückzuführen sind. Die auf der
Oberfläche auftreffenden Partikel neigen dazu mit einem flacheren
Winkel als ihrem Einfallswinkel abzuprallen.
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Die Anmelder gestalteten und testeten Abscheidevorrichtungen für
Partikel gemäß dem hierin bevorzugten Ausführungsbeispiel. Diese
Testeinheiten erzielten mit MIL5007-C Spezialsand eine
Abscheidungseffizienz von 88,2% sowie 88,7% mit groben AC-
Partikeln. Bei einem Vergleich mit den vorher aufgeführten
Leistungsdaten von Axial-Partikelabscheidern schneidet die
Radialeinlaßvorrichtung zur Abscheidung von Partikeln sehr gut
ab. Dabei paßt die vorliegende Radialeinlaßvorrichtung zur
Abscheidung von Partikeln jedoch wesentlich besser in die
wesentlichen Strukturen eines Turbinenmotors als die
Axialvorrichtungen. Die erfindungsgemäßen Partikelabscheider
konnten außerdem Muttern, Bolzen, kleine Drahtstücke und
Werkzeuge von Mechanikern aus dem Einlaßluftstrom in einen
Turbinenmotor abscheiden. Einige dieser Fremdkörper sind zwar zu
groß um aus dem Motor ausgestoßen zu werden, doch konnte
vermieden werden, daß sie zu dem Verdichter gelangen und den
Motor beschädigen.