DE69733012T2

DE69733012T2 - Motoranordnung mit russfilter

Info

Publication number: DE69733012T2
Application number: DE69733012T
Authority: DE
Inventors: E. Joseph LUNDQUIST
Original assignee: Pall Corp
Current assignee: Pall Corp
Priority date: 1996-02-02
Filing date: 1997-01-31
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2017-02-01
Also published as: JP2000504801A; EP0891218B1; WO1997027927A1; US6152978A; JP3857729B2; DE69733012D1; EP0891218A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rußfilter, mit dem Ruß aus einem Gas, z.B. aus der Abzapfluft eines Triebwerks, entfernt werden kann. Im Besonderen betrifft die Erfindung ein Filter, mit dem Ruß aus der Abzapfluft eines Flugzeugtriebwerks, z.B. eines Hilfstriebwerks, entfernt werden kann.
Moderne Flugzeuge sind häufig mit einem Hilfsaggregat ausgestattet, welches als Hilfstriebwerk (APU) bezeichnet wird. Es handelt sich hierbei um ein kleines, bordeigenes Triebwerk, welches üblicherweise im Heckbereich eines Flugzeugs angeordnet ist und zur Kraftversorgung von Flugzeugsystemen verwendet wird, wenn die Haupttriebwerke des Flugzeugs abgeschaltet sind. Ein Hilfstriebwerk kann für verschiedene Zwecke genutzt werden, z.B. für die Bereitstellung von Wärme, Elektrizität, klimatisierter Luft und Druckluft; im Gegensatz zu einem Flugzeughaupttriebwerk kann es jedoch keinen Flugschub bereitstellen. Ferner kann komprimierte Abzapfluft vom Hilfstriebwerk einem Luftturbinen-Startersystem bereitgestellt werden, um ein Haupttriebwerk des Flugzeugs zu starten.
Ein Hilfstriebwerk ist gewöhnlich eine Gasturbine und wie andere Arten von Gasturbinen druckstoßanfällig, wenn die Rate der Luftansaugung ungeeignet für die Triebwerksbetriebsbedingungen ist. Daher wird ein Hilfstriebwerk häufig mit einem Druckstoßkontrollventil ausgestattet, welches in Fließverbindung mit dem Hilfstriebwerk steht und welches auf Basis von Betriebsbedingungen innerhalb des Hilfstriebwerks geöffnet und geschlossen wird, um Druckstöße zu vermeiden.
Ein Druckstoßkontrollventil für ein Hilfstriebwerk empfängt gewöhnlich Abzapfluft von dem Hilfstriebwerk und übt eine Kontrolle auf Basis einiger Charakteristika (z.B. des Drucks) der Abzapfluft aus. Ein Druckstoßkontrollventil kann verschiedene Pneumatikkomponenten umfassen, z.B. Druckregler und pneumatisch betätigte Ventile, die die Abzapfluft vom Hilfstriebwerk durchströmt. Die Abzapfluft enthält häufig feine teerige Rußpartikel, d.h. unverbrannte oder unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe, die vom Hilfstriebwerk aus vielfältigen Quellen aufgenommen werden, z.B. aus den Dieselmotoren der Bodendienstfahrzeuge, welche das Flugzeug warten, wenn es an einem Gate in einem Flughafen geparkt ist, aus dem Ausstoß der Triebwerke in der Nähe befindlicher Flugzeuge oder aus dem Staub, der von der Startbahn durch den Betrieb des Hilfstriebwerks aufgesaugt wird. Der Ruß ist extrem klebrig, und lässt man zu, dass der Ruß in das Druckstoßkontrollventil eintritt, kann er Hängenbleiben und Funktionsstörungen des Druckstoßkontrollventils verursachen. Ferner können andere Flugzeugeinrichtungen, welche die Abzapfluft von einem Hilfstriebwerk verwenden, Komponenten enthalten, die extrem empfindlich gegen das Vorhandensein von Schmutz, Öl und insbesondere Kohlenwasserstoffpartikeln sind und ernsten Schaden nehmen können, wenn sie Rußpartikel mit der Abzapfluft aufnehmen. Es besteht also die Notwendigkeit eines Filters, welches Ruß wirksam aus der Abzapfluft eines Hilfstriebwerks entfernen kann. Die Abzapfluft von den Haupttriebwerken eines Flugzeugs kann ebenfalls Ruß enthalten, und weil diese Abzapfluft möglicherweise ebenfalls anderen Flugzeugeinrichtungen zugeführt wird, besteht die Notwendigkeit eines Filters, welches auch diesen Ruß wirksam entfernen kann.
Wenngleich Filter existieren, mit denen Ruß aus einem Gas entfernt werden kann, ist die Verwendung existierender Filter für Flugzeugtriebwerke wegen verschiedener Nachteile häufig nicht praktikabel, z.B. wegen ihrer hohen Kosten, ihres voluminösen Aufbaus und ihrer unzureichenden Schmutzkapazität, die häufiges Reinigen oder Austauschen notwendig macht. Ferner weist die Abzapfluft eines Hilfstriebswerks typischerweise eine sehr niedrige Strömungs rate auf, und aus diesem Grund sind Trägheitsabscheider nicht zu einer wirksamen Entfernung von Partikeln aus der Abzapfluft befähigt.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Triebwerksanordnung bereit, umfassend ein Flugzeugtriebwerk, das eine Gasturbine mit einer Abzapfgasleitung umfasst; und ein Filter in Fluidverbindung mit der Abzapfgasleitung, das ein gesintertes Metallmedium mit einem Hohlraumvolumen im Bereich von 50% bis 95% und ein auf der Anströmseite des gesinterten Metallmediums angeordnetes Vorfilter umfasst, wobei das Vorfilter poröser ist als das gesinterte Metallmedium und wobei das Filter eine Einfangeffizienz von wenigstens 95% für Rußpartikel mit einer Größe im Bereich von 1 μm bis 5 μm aufweist.
Das gesinterte Metallmedium weist gute Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen und eine extrem hohe Schmutzkapazität auf und hat somit eine lange Nutzlebensdauer. Es kann ferner niedrige Materialkosten aufweisen, so dass es weggeworfen werden kann, wenn ein Austausch notwendig wird. Das gesinterte Metallmedium ist nicht auf einen besonderen Typ begrenzt, wird aber vorzugsweise so gewählt, dass das Filter Rußpartikel mit einer Größe von 1 bis 5 μm aus einem Gas von einem Triebwerk entfernen kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das gesinterte Metallmedium ein Medium aus faserförmigem Metall. Ein Teil der Fasern in dem Medium kann eine nichtlineare Gestalt aufweisen. Die Fasern weisen vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von ca. 1 bis ca. 150 μm und eine nominale Länge im Bereich von ca. 100 μm bis ca. 20 mm auf. Der Fasern sind vorzugsweise mechanisch verzahnt und durch Sintern aneinander gebunden, mit zwischen den Fasern der Masse definierten Hohlräumen. Das Medium aus faserförmigem Metall weist vorzugsweise ein Hohlraumvolumen im Bereich von ca. 50% bis ca. 95% auf. Für Fasern mit einem Durchmesser von mehr als annähernd 40 μm sind nach dem Schmelzüberlauf-Gussverfahren gebildete Fasern besonders geeignet zur Verwendung für das Medium aus faserförmigem Metall. Das Filter kann ferner ein poröses Vorfilter auf einer Anströmseite des gesinterten Metallmediums aufweisen. Das Filter kann in einem Gehäuse angeordnet sein, welches das Filter in Fließverbindung mit einer Quelle für ein zu filterndes partikelhaltiges Gas bringen kann.
Das Filter kann ein sehr hohes Hohlraumvolumen aufweisen, was zu einem geringen Druckverlust und einer langen Lebensdauer führt. Gleichzeitig kann das Filter sehr kleine Rußpartikel von 1 bis 5 μm mit hoher Effizienz bei Strömungsraten, die zu niedrig sind, als dass Trägheitsabscheider bei ihnen wirksam funktionieren könnten, einfangen. Zusätzlich kann das Filter leichtgewichtig und sehr kompakt sein, was es sehr geeignet zur Verwendung in einer Flugzeugumgebung macht.
Das Filter ist besonders geeignet zur Entfernung von Ruß, d.h. unverbrannten oder unvollständig verbrannten Kohlenwasserstoffen, aus Gasen. Es ist jedoch nicht auf die Verwendung mit Ruß beschränkt und kann Verwendung finden zum Filtern eines Gases zum Entfernen einer beliebigen Art von Partikeln mit einer Größe, die in den Bereich des Rückhaltevermögens des Filters fällt.
Im Folgenden werden einige Ausführungsformen der Erfindung exemplarisch detaillierter beschrieben unter Bezugnahme auf die beigefügte zeichnerische Darstellung; in der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines mit einer Filteranordnung ausgestatteten Hilfstriebwerks;
2 einen Aufriss der Filteranordnung von 1;
3 eine Ansicht der Filteranordnung von 2 von unten;
4 einen senkrechten Schnitt der Filteranordnung von 2;
5 einen vergrößerten senkrechten Schnitt eines Teils der Filteranordnung von 4;
6 eine Draufsicht auf das in 4 gezeigte Filter;
7 einen senkrechten Schnitt mit einer alternativen Dichtungsanordnung, welche mit der Filteranordnung von 1 Verwendung finden kann;
8 eine schematische Darstellung des Querschnitts von Metallfasern, welche für das gesinterte Metallmedium der Filteranordnung von 1 verwendet werden;
9 einen senkrechten Schnitt einer weiteren Ausführungsform einer Filteranordnung.
1 zeigt schematisch ein typisches Hilfstriebwerk 10 für ein Flugzeug, für das eine erfindungsgemäße Filteranordnung Verwendung finden kann. Das Hilfstriebwerk 10 kann eine beliebige gewünschte Struktur aufweisen und kann z.B. ein kommerziell verfügbares Modell sein. Bei der vorliegenden Ausführungsform umfasst das Hilfstriebwerk 10 eine Luftansaugung 11, durch welche Luft eintritt, um durch einen ein- oder mehrstufigen Leistungsteilkompressor 12 vom Zentrifugaltyp verdichtet zu werden. Die verdichtete Luft aus dem Leistungsteilkompressor 12 wird in eine oder mehrere Brennkammern 13 eingespeist, wo sie mit Kraftstoff, der über Kraftstoffdüsen 14 zugeführt wird, gemischt und verbrannt wird. Die verbrannte Luft wird einer Turbine 15 zugeführt, die eine oder mehr Stufen aufweisen kann, und der/die Rotor/en der Turbine 15 werden von der verbrannten Luft zu einer Rotationsbewegung angetrieben. Die Rotation des oder der Turbinenrotoren treibt eine mit der Turbine 15 verbundene Ausgangswelle 17 zu einer Rotationsbewegung an, die ihrerseits den Leistungsteilkompressor 12, einen Lastkompressor 18 vom Zentrifugaltyp und ein Getriebe 19 antreibt. Der Lastkompressor 18 verdichtet von der Luftansaugung 11 kommende Luft und führt die verdichtete Luft über Abzapfluftleitungen 20 und 21 verschiedenen Pneumatiksystemen des Flugzeugs zu. Das Getriebe 19, welches typisch ein Untersetzungsgetriebe umfasst, kann mit verschiedenen, nicht dargestellten Einrichtungen verbunden sein, z.B. mit einem elektrischen Generator, der das Flugzeug mit elektrischer Energie versorgt, einem Kompressor oder anderen Einrichtungen, um die Einrichtungen bei einer geeigneten Rotationsgeschwindigkeit anzutreiben.
Das Hilfstriebwerk 10 ist mit einem Druckstoßkontrollventil 30 ausgestattet, um das Auftreten von Druckstößen zu verhindern. Das Druckstoßkontrollventil 30, welches konventioneller oder beliebiger anderer geeigneter Bauweise sein kann, umfasst eine stellbare Ventilplatte 31, welche in einem zwischen der Abzapfluftleitung 20 von dem Lastkompressor 18 und dem Abströmbereich 16 des Hilfstriebwerks 10 geschalteten Bypass 22 drehbar angeordnet ist. Das Druckstoßkontrollventil 30 umfasst ferner eine Pneumatikkontrolleinheit 32, welche die Ventilplatte 31 auf der Basis des Abzapfluftdrucks in einer Abzapfluftleitung 23, welche mit der Ausstoßseite des Leistungsteilkompressors 12 verbunden ist, auf und zu macht. Eine Filteranordnung 40 ist in der Abzapfluftleitung 23 zwischen dem Hilfstriebwerk 10 und der Pneumatikkontrolleinheit 32 installiert, so dass Abzapfluft die Filteranordnung 40 durchströmt und gefiltert wird, bevor sie in die Pneumatikkontrolleinheit 32 eintritt. Die Pneumatikkontrolleinheit 32 umfasst typischerweise Komponenten wie einen Druckregler und pneumatische Betätigungsvorrichtungen zum Betätigen der Ventilplatte 31.
Hilfstriebwerke und Druckstoßkontrollventile, mit denen ein Filter verwendet werden kann, sind kommerziell von einer Reihe von Herstellern erhältlich, z.B. von Pratt and Whitney oder Allied Signal Engines. Jedoch sind die erfindungsgemäßen Ausführungsformen nicht auf die Verwendung mit Einrichtungen von diesen Herstellern oder mit bestimmten Modellen oder Bauformen beschränkt. Weiter zeigt 1 nur eine mögliche Druckstoßkontrollanordnung, und es können zahlreiche andere Anordnungen, die dem Fachmann wohlbekannt sind, Verwendung finden. Da die Prinzipien und Details der Funktion von Druckstoßkontrollventilen dem Fachmann wohlbekannt sind, wird auf deren Beschreibung verzichtet.
In den 2 bis 6 ist die Filteranordnung 40 von 1 detaillierter dargestellt. Gemäß diesen Figuren umfasst sie ein Gehäuse 41 und ein im Inneren des Gehäuses 41 angeordnetes Filter 70. Das Gehäuse 41 kann eine beliebige Struktur aufweisen, welche es ihm ermöglicht, Abzapfluft von der Abzapfluftleitung 23 durch das Filter 70 zu leiten, um sie zu filtern. Das Gehäuse 41 bei dieser Ausführungsform umfasst einen Körper 42 und eine an dem Körper 42 montierte Abdeckung 60. Das Gehäuse 41 umfasst ferner einen Einlass 43 zur Verbindung mit einer Quelle für zu filterndes Gas, d.h. der Abzapfluftleitung 23, und einen Auslass 44 für Gas, welches durch das Filter 70 gefiltert worden ist. Vorzugsweise sind sowohl der Einlass 43 als auch der Auslass 44 mit dem Körper 42 verbunden oder Teil desselben, und die Abdeckung 60 ist lösbar an dem Körper 42 montiert, derart, dass die Abdeckung 60 geöffnet und geschlossen werden kann und das Filter 70 installiert und aus dem Gehäuse 41 entfernt werden kann, ohne Fluidverbindungen zu dem Einlass 43 und dem Auslass 44 zu stören. Bei dieser Ausführungsform ist der Einlass 43 über einen Teil der Abzapfluftleitung 23 mit dem Hilfstriebwerk 10 verbunden, und der Auslass 44 ist über einen anderen Teil der Abzapfluftleitung 23 mit der Pneumatikkontrolleinheit 32 des Druckstoßkontrollventils 30 verbunden. Gemäß 3 münden sowohl der Einlass 43 als auch der Auslass 44 in der Außenumfangsfläche des Gehäusekörpers 42, obschon sie in anderen Teilen des Körpers 42, z.B. der unteren Oberfläche, einmünden können und nicht in der gleichen Fläche münden müssen.
Die Filteranordnung 40 kann an einem beliebigen geeigneten Ort entlang der Abzapfluftleitung 23 installiert werden, z.B. an einem Gehäuse des Hilfstriebwerks 10. Bei dieser Ausführungsform ist der Körper 42 mit einer Mehrzahl von Füßen 45 ausgestattet, mittels derer der Körper 42 durch Bolzen oder sonstwie an einer geeigneten Oberfläche gesichert werden kann.
2 zeigt das Gehäuse 41 mit der Abdeckung 60 höher als der Körper 42 des Gehäuses 41 liegend. Jedoch kann die Filteranordnung 40 in beliebiger gewünschter Lage des Filtergehäuses 41 bezogen auf die Vertikale betrieben werden, z.B. mit dem Gehäusekörper 42 höher als die Abdeckung 60 liegend oder mit beiden auf der gleichen Höhe.
Infolge ihrer Verdichtung durch den Leistungsteilkompressor 12 ist die Abzapfluft vom Hilfstriebwerk 10, welche in das Druckstoßkontrollventil 30 durch die Abzapfluftleitung 23 eingeführt wird, gewöhnlich extrem heiß (z.B. bei Temperaturen von 176,7°C bis 260°C (350 bis 500°F) am Einlass 43 des Gehäuses 41). Wenn also die Filteranordnung 40 mit einem Hilfstriebwerk 10 verwendet wird, ist das Gehäuse 41 vorzugsweise aus einem korrosionsbeständigen Hochtemperaturmaterial hergestellt; einige Beispiele für geeignete Materialien sind Edelstahl, Titanlegierungen, Hastelloy und Keramik.
Gemäß 5 ist das Filter 70 bei dieser Ausführungsform im Wesentlichen zylindrisch und weist eine seine Höhe durchsetzende zentrale Bohrung auf. Die zentrale Bohrung des Filters 70 ist günstig, um die Größe der Filteranord nung 40 zu vermindern, weil sie es ermöglicht, einen Kanal für zu filterndes Gas durch das Zentrum des Filters 70 zu führen. Das Filter 70 ist jedoch nicht auf eine besondere Gestalt begrenzt, und die Bohrung kann weggelassen oder an einem anderen Ort angeordnet sein. Einige Beispiele für andere mögliche Gestalten des Filters 70 umfassen einen Kegelstumpf, einen Stab oder eine flache polygonale Platte. Das Filter 70 kann eine über seinen Radius einheitliche oder variierende Höhe aufweisen.
Die Bohrung des Filters 70 umschließt ein vertikales Zuleitungsrohr 46, welches an dem Zentrum des Gehäusekörpers 42 angeordnet und mit dem Einlass 43 des Gehäuses 41 durch einen in dem Körper 42 gebildeten radialen Kanal 47 verbunden ist. Wie durch Pfeile in 4 gezeigt, tritt zu filterndes Gas von der Abzapfluftleitung 23 in den Einlass 43 ein und strömt durch den Kanal 47 radial einwärts und in das untere Ende des vertikalen Zuleitungsrohrs 46 hinein. Es durchläuft dann das Zuleitungsrohr 46 und tritt am oberen Ende desselben aus, woraufhin das Gas das Filter 70 axial durchströmt, hierbei gefiltert wird und dann in eine Kammer 48 strömt, die im unteren Teil des Gehäusekörpers 42 unterhalb des Filters 70 gebildet ist und mit dem Auslass 44 in Verbindung steht. Aus der Kammer 48 tritt das gefilterte Gas über den Auslass 44 aus und wird der Pneumatikkontrolleinheit 32 des Druckstoßkontrollventils 30 zugeführt. Es kann jedoch ein beliebiger Strömungspfad zwischen dem Einlass 43 und dem Auslass 44, der das Filter 70 passiert, Verwendung finden. Ferner können die Funktionen des Einlasses 43 und des Auslasses 44 gegeneinander vertauscht sein, wobei zu filterndes Gas in den Auslass 44 und aufwärts durch das Filter 70 strömt und gefiltertes Gas das Gehäuse 41 durch das Zuleitungsrohr 46, den radialen Kanal 47 und den Einlass 43 verlässt. Wenn zu filterndes Gas während seiner Passage durch das Filter 70 einen großen Druckabfall erfährt, ist die Strömungsrichtung durch das Filter 70 vorzugsweise so, dass eine axiale Kraft auf das Filter 70 infolge des Druckabfalls eher gegen den Gehäusekörper 42 wirkt als in Richtung der Abdeckung 60 des Gehäuses 41, weil der Gehäusekörper 42 leichter so ausgebildet werden kann, dass er der axialen Kraft widersteht, und die axiale Kraft direkt an der Fläche aufgebracht werden kann, an der der Gehäusekörper 42 montiert ist. Anstatt das Filter 70 axial zu durchströmen, kann das Gas radial oder sowohl axial als auch radial strömen.
Der Gehäusekörper 42 und die Abdeckung 60 können in beliebiger gewünschter Weise miteinander verbunden sein; bevorzugt ist die Abdeckung 60 aber lösbar mit dem Gehäusekörper 42 verbunden, um das Filter 70 leicht installieren und austauschen zu können. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die zwei Glieder 42 und 60 durch eine konventionelle V-Bandklemme 65 verbunden, welche mit einem Griff 66 ausgestattet ist, der gedreht werden kann, um die Klemme 65 um einen am Außenumfang des Gehäusekörpers 42 gebildeten Flansch 50 und einen am Außenumfang der Abdeckung 60 gebildeten Flansch 61 festzuziehen. Jeder der Flansche 50 und 61 weist eine geneigte Außenfläche auf, so dass beim Festziehen der V-Bandklemme 65 diese die Flansche zueinander hin drängt und die Abdeckung 60 an dem Körper 42 sichert. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist ein Dichtungsglied, z.B. ein O-Ring 51, aus einem wärmebeständigen Material zwischen den Flanschen 50 und 61 angeordnet, um zwischen ihnen eine Abdichtung zu bilden. Das Gehäuse 41 kann, muss aber nicht hermetisch gegenüber der Atmosphäre abgedichtet sein, da Gas oder Partikel, welche aus dem Gehäuse 41 austreten, keine Gefahr für die Umwelt darstellen. Es kann eine breite Vielfalt anderer Mechanismen verwendet werden, um die Abdeckung 60 und den Gehäusekörper 42 lösbar zu verbinden, z.B. Bolzen, mit passenden Gewinden an dem Körper 42 und der Abdeckung 60 ausgebildet, eine Bajonettfassung oder eine Schnappverbindung.
Wie in 5 gezeigt, welche einen vertikalen Schnitt darstellt, umfasst das Filter 70 gemäß dieser Ausführungsform ein hohles, scheibenförmiges Filterelement 71, welches ein Filtermedium enthält und eine zentrale Bohrung aufweist, einen Innenring 75, welcher in der zentralen Bohrung des Filterelementes 71 angeordnet ist, und einen Außenring 76, der den Außenumfang des Filterelementes 71 umschließt. Die Ringe 75 und 76 stellen glatte Oberflächen bereit, gegen die eine Dichtung zwischen dem Filter 70 und dem Gehäuse 41 gebildet werden kann, geben dem Filter 70 strukturelle Steifigkeit und verhindern Beschädigung des Filterelementes 71 bei der Handhabung und Installation des Filters 70. Die Ringe 75 und 76 sind jedoch nicht unbedingt erforder lich für den Betrieb des Filters 70 und können, falls gewünscht, weggelassen werden.
Der Innenring 75 passt über das vertikale Zuleitungsrohr 46 des Gehäusekörpers 42. Bei dieser Ausführungsform weist der Innenring 75 einen Innendurchmesser auf, der an seinem unteren Ende größer ist als an seinem oberen Ende, und das vertikale Zuleitungsrohr 46 weist einen Außendurchmesser auf, der von seinem unteren Ende zu seinem oberen Ende abnimmt, wobei der Außendurchmesser des unteren Endes des Zuleitungsrohrs 46 größer ist als der Innendurchmesser des oberen Endes des Innenrings 75. So aufgebaut kann das Filter 70 nur in der in 5 gezeigten Weise an dem Zuleitungsrohr 46 montiert werden, wodurch eine gewünschte Ausrichtung des Filters 70 bezogen auf die Gasströmung durch das Gehäuse 41 sichergestellt wird.
Die Strömungsrate von Abzapfgas von einem Hilfstriebwerk ist im Allgemeinen sehr niedrig. Ein Beispiel für eine typische Strömungsbedingung an dem Einlass 43 der Filteranordnung 40 ist eine Reinluftströmungsrate von ca. 0,014 bis 0,057 m³/min (ca. 0,5 bis ca. 2,0 scfm (Standardkubikfuß pro Minute)), ein statischer Druck von 1206 kPa (175 psig) und eine Temperatur von 260°C (500°F). Das in dem Filterelement 71 verwendete Filtermedium ist deshalb vorzugsweise aus einem korrosionsbeständigen Hochtemperaturmaterial hergestellt, welches Rußpartikel bei sehr niedrigen Strömungsraten und hohen Temperaturen wirksam entfernen kann. Ein gesintertes Metallfiltermedium, welches aus einem korrosionsbeständigen Metall gebildet ist, ist besonders geeignet für die Entfernung feiner Rußpartikel aus einem Heißgas bei niedrigen Strömungsraten, und ein solches Filtermedium 72 wird in der vorliegenden Ausführungsform verwendet. Ein gesintertes Medium ist oft vorteilhaft, weil es Schwingungen und Strömungsstößen ohne Migration des das Medium bildenden Materials widerstehen kann. Das Filterelement 71 kann ferner ein Vorfilter 73 auf der Anströmseite des gesinterten Metallmediums 72 umfassen.
Das Rückhaltevermögen des Filterelementes 71 als Ganzes kann gewählt sein auf Basis der Art der Partikel, die aus der es passierenden Abzapfluft entfernt werden sollen. Der größere Teil von Rußpartikeln in einer Flugzeugumgebung ist größenmäßig typisch in einem Bereich von 2 bis 5 μm angesiedelt. Wenn also die Filteranordnung 40 dazu verwendet wird, Rußpartikel aus einem Abzapfgas von einem Hilfstriebwerk zu entfernen, ist das Filterelement 71 bevorzugt in der Lage, Rußpartikel von 2 μm und darüber, noch bevorzugter 1 μm und darüber, zu entfernen. Für Rußpartikel im Größenbereich von 1–5 μm weist das Filterelement 71 vorzugsweise eine Einfangeffizienz von mindestens 95% auf. Für Rußpartikel mit einer Größe von 5 μm beträgt die Einfangeffizienz bevorzugt mindestens 99%, noch bevorzugter mindestens 99,9%.
Das Hohlraumvolumen des gesinterten Metallmediums 72 ist nicht auf einen besonderen Wert begrenzt, liegt aber bevorzugt im Bereich von ca. 50% bis ca. 95%, noch bevorzugter innerhalb eines Bereichs von ca. 75% bis ca. 95%, weiter bevorzugt im Bereich von ca. 85% bis ca. 95%.
Das Vorfilter 73 kann vielfältige Funktionen ausüben. Eine Funktion besteht darin, grobe Partikel in dem durch das Filterelement 71 geleiteten Gas einzufangen und zu verhindern, dass die groben Partikel das gesinterte Metallmedium 72 kontaktieren und es verstopfen, wodurch die Lebensdauer des Filterelementes 71 erhöht wird. Eine weitere Funktion, von der angenommen wird, dass sie von dem Vorfilter 73 ausgeübt wird, besteht darin, kleine Rußpartikel zu größeren zu agglomerieren, welche von dem gesinterten Metallmedium 72 leichter entfernt werden können. Wegen ihrer Klebrigkeit haften Rußpartikel in der Abzapfluft leicht an den Oberflächen, mit denen sie in Kontakt kommen. Einzelne Rußpartikel in der Abzapfluft können, auch wenn sie extrem klein und im Allgemeinen viel kleiner als die Hohlräume des Vorfilters 73 sind, dennoch – wegen ihrer Klebrigkeit – an das Vorfilter 73 anhaften. Wenn weitere Rußpartikel mit den bereits dem Vorfilter 73 anhaftenden Partikeln in Kontakt kommen und an diesen anhaften, agglomerieren die einzelnen Partikel zu einer größeren Masse. Wenn die Partikelmasse eine gewisse Größe erreicht, wird sie durch den Gasstrom von dem Vorfilter 73 abgelöst und im Inneren des Vorfilters 73 stromab zu dem gesinterten Metallmedium 72 getragen. Aufgrund der Agglomeration in dem Vorfilter 73 ist die mittlere Größe der Partikel, welche das gesinterte Metallmedium 72 erreichen, beträchtlich größer als in Abwesenheit des Vorfilters 73, wodurch es für das gesinterte Metallmedium 72 leichter wird, die Rußpartikel einzufangen, und es möglich wird, die Porengröße des gesinterten Metallmediums 72 zu erhöhen. Dies hat einen geringe ren Druckabfall und eine längere Nutzlebensdauer des gesinterten Metallmediums 72 zur Folge.
Das Vorfilter 73 ist vorzugsweise beträchtlich poröser als das gesinterte Metallmedium 72. Beispielsweise kann es ein Hohlraumvolumen von mindestens 90%, noch bevorzugter mindestens 95% aufweisen. Besonders gute Ergebnisse sind durch die Verwendung eines Vorfilters mit einem Hohlraumvolumen zwischen 98,0% und 99,0% erzielt worden. Ein Beispiel für ein geeignetes Vorfilter ist ein Polster aus Wirkgeflecht aus einem korrosionsbeständigen Metalldraht oder ein Polster aus einem korrosionsbeständigen Nonwoven-Metallgewebe, wobei Edelstahl ein besonders geeignetes Metall zur Verwendung für die Bildung des Polsters ist. Derartige Polster sind in einem Porositätsbereich kommerziell erhältlich. Bei einer Luftströmungsrate von ca. 0,014 bis ca. 0.057 m³/min (ca. 0,5 bis ca. 2,0 scfm) durch das Filter wurde ein Polster aus Wirkgeflecht, gebildet aus Edelstahlfasern mit einem Faserdurchmesser von ca. 0,1016 bis ca. 0,1524 mm (ca. 0,004 bis ca. 0,006 in) und einer Dichte im Bereich von ca. 0,092 bis ca. 0,153 g/cm³ (ca. 1,5 bis ca. 2,5 g/in³) als gute Resultate liefernd gefunden. Beispiele für andere Glieder, welche als Vorfilter Verwendung finden können, umfassen Drahtgeflechte, Streckmetall, photogeätzte Siebe, Drahtwickel- oder Formstrukturen und perforierte Flachmaterialien.
Das Vorfilter 73 kann aus einem beliebigen Material hergestellt sein, welches den hohen Temperaturen, die während des Betriebs der Filteranordnung 40 anzutreffen sind, widerstehen kann, z.B. Edelstahl, Kupfer, Nickel, Messing und Keramik, um ein paar Beispiele zu nennen. Wenn es die Betriebstemperaturen erlauben, können auch Fasern aus Hochtemperaturpolymeren wie PPS (Polyphenylensulfid) oder Nomex (Marke von DuPont für eine Aramidfaser) verwendet werden.
Das gesinterte Metallmedium 72 und das Vorfilter 73 müssen keine besondere Gestalt aufweisen. Sie können hinsichtlich ihrer Gestalt dem Filterelement 71 als Ganzes ähnlich oder verschieden davon sein. Bei dieser Ausführungsform umfassen sie jeweils eine Hohlscheibe von im Wesentlichen gleichmäßiger Dicke über ihren Durchmesser und mit einer Oberseite und einer Unterseite, die flach sind. Sowohl das gesinterte Metallmedium 72 als auch das Vorfilter 73 können gewellt sein, um ihre Oberfläche zu vergrößern; bei dieser Ausführungsform sind sie jedoch ungewellt.
Das Rückhaltevermögen des gesinterten Metallmediums 72 kann über seine Tiefe konstant sein oder variieren. Ein Filtermedium mit einem Rückhaltevermögen, welches über seine Tiefe variiert, wobei die stromabwärtigen Teile des Mediums eine feinere Porengröße aufweisen als die anströmseitigen Teile des Mediums, weist häufig eine höhere Schmutzkapazität auf als ein Filtermedium mit einem konstanten Rückhaltevermögen über seine Tiefe. Das Rückhaltevermögen des gesinterten Metallmediums 72 kann auf vielfältige Weise variiert werden. Beispielsweise kann das gesinterte Metallmedium 72 eine einzige Schicht umfassen mit einer Porengröße, die über ihre Tiefe variiert, oder sie kann eine Mehrzahl von separat gebildeten Schichten umfassen, welche unterschiedliche Porengrößen aufweisen. Die verschiedenen Schichten können, müssen aber nicht aneinander gesichert sein. Bei der dargestellten Ausführungsform umfasst das gesinterte Metallmedium 72 eine erste oder anströmseitige hohlscheibenförmige Schicht 72a und eine zweite oder stromabwärtige hohlscheibenförmige Schicht 72b, welche auf einer stromabwärtigen Seite der ersten Schicht 72a angeordnet ist und eine feinere mittlere Porengröße als die erste Schicht 72a aufweist. Jede der Schichten 72a und 72b ist ein separater, unitärer Sinterkörper. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Schichten 72a und 72b übereinander gestapelt, ohne zusammengefügt zu sein.
Das Filterelement 71 kann Komponenten enthalten, welche von den in den Figuren gezeigten verschieden sind. Beispielsweise kann es verschiedene Schichten umfassen, um Strömungsverteilung, gröbere Vorfiltration oder mechanische Stützung bereitzustellen.
Das Vorfilter 73 kann, muss aber nicht körperlich mit dem gesinterten Metallmedium 72 verbunden sein. Beispielsweise kann das Vorfilter 73 einfach oben auf der Anströmoberfläche des gesinterten Metallmediums 72 aufliegen oder dagegen gepresst werden, oder es kann von dem gesinterten Metallmedium 72 durch ein Zwischenglied, z.B. ein poröses Geflecht oder eine perforierte Platte, getrennt sein; jedoch werden im Allgemeinen – der Kompaktheit wegen – das Vorfilter 73 und das gesinterte Metallmedium 72 einander kontaktieren.
Vorzugsweise ist das gesinterte Metallmedium 72 zum Außenumfang des Innenrings 75 und zum Innenumfang des Außenrings 76 abgedichtet, so dass Partikel, die groß genug sind, um von dem gesinterten Metallmedium 72 eingefangen zu werden, das gesinterte Metallmedium 72 nicht umgehen können, indem sie zwischen dem gesinterten Filtermedium 72 und den Ringen strömen. Eine Abdichtung kann auf beliebige geeignete Weise gebildet sein. Beispielsweise kann das gesinterte Metallmedium 72 direkt an die Ringe 75 und 76 gesintert oder geschweißt sein, oder es kann ein wärmebeständiges Material, z.B. ein zum Löten oder Schweißen geeignetes Zusatzmetall, zwischen dem gesinterten Metallmedium 72 und den Ringen angeordnet sein, oder das gesinterte Metallmedium 72 kann mit Schrumpfsitz oder Presssitz in dichtenden Kontakt mit den Ringen 75, 76 gepresst sein. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das gesinterte Metallmedium 72 mit Presssitz zwischen die Ringe 75, 76 gefügt, um eine Metall-zu-Metall-Dichtung zu erzeugen.
Ein oberer Halter 80 mit Öffnungen, durch die zu filterndes Gas passieren kann, kann auf der Anströmseite des Filters 70 benachbart zu dem Vorfilter 73 angeordnet sein, um das Vorfilter 73 an Ort und Stelle oben auf dem gesinterten Metallmedium 72 zu halten. Wie in 5 und in 6, die eine Draufsicht auf das Filter 70 darstellt, gezeigt, umfasst der obere Halter 80 bei dieser Ausführungsform eine Hohlnabe 81, die über das obere Ende des Innenrings 75 passt, einen Außenrand 82, der an dem Außenring 76 anliegt, und eine Mehrzahl von Speichen 83, die sich zwischen der Nabe 81 und dem Rand 82 erstrecken. Zu filterndes Gas kann durch die Räume 84 zwischen benachbarten Speichen 83 hindurchströmen. Die Nabe 81 des oberen Halters 80 ist in einer in dem Innenring 75 gebildeten Umfangsnut mittels eines geeigneten Haltegliedes, z.B. eines Spiralhalterings 85, an Ort und Stelle gehalten. Das Filter 70 kann ferner einen unteren Halter 90 umfassen, welcher benachbart zu der stromabwärtigen Oberfläche des gesinterten Metallmediums 72 angeordnet ist, um das Filterelement 71 von unten zu stützen. Der untere Halter 90 bei dieser Ausführungsform umfasst eine scheibenförmige Metallplatte mit einem Zentralloch mit einem Innenumfang, der mit Presssitz auf das untere Ende des Innenrings 75 gefügt wird, und einem Außenumfang, der in eine in dem Außenring 76 gebildete Umfangsnut einschnappt. In dem Halter 90 sind Perforationen 91 für die Passage von gefiltertem Gas gebildet. Der untere Halter 90 gibt dem gesinterte Metallmedium 72 strukturellen Halt und schützt es vor Beschädigung während der Handhabung des Filters 70. Vorzugsweise sind die Perforationen 91 groß genug, so dass der untere Halter 90 keinen wesentlichen Druckabfall in dem das Filter 70 durchströmenden Gas im Normalbetrieb erzeugt.
Vorzugsweise ist eine Abdichtung zwischen dem Filter 70 und dem Gehäuse 41 gebildet, um zu verhindern, dass Partikel, die groß genug sind, um von dem Filterelement 71 eingefangen zu werden, das Filter 70 entweder entlang seines inneren oder seines äußeren Umfangs umgehen. Es kann eine beliebige Dichtungsanordnung zum Einsatz gelangen, welche den Temperaturen des zu filternden Heißgases zu widerstehen vermag. Bei der vorliegenden Ausführungsform sitzt – wie in den 4 und 5 gezeigt – der Außenring 76 auf einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden Leiste 49, welche um den Umfang des Gehäusekörpers 42 herum gebildet ist, und das untere Ende des Außenrings 76 wird nach unten, in dichtenden Kontakt mit der Oberseite der Leiste 49 gedrückt durch eine Mutter 53, welche auf ein an dem oberen Ende des vertikalen Zuleitungsrohrs 46 gebildetes Gewinde geschraubt ist. Vor dem Festziehen der Mutter 53, mit dem Außenring 76 auf der Leiste 49 sitzend, ist vorzugsweise ein kleiner Zwischenraum zwischen dem unteren Ende des Innenrings 75 und dem die Basis des Zuleitungsrohrs 46 umschließenden Teil des Gehäusekörpers 42 vorhanden. Beim Festziehen der Mutter 53 drückt diese den Innenring 75 nach unten, um eine Metall-zu-Metall-Dichtung zwischen dem unteren Ende des Innenrings 75 und dem die Basis des Zuleitungsrohrs 46 umschließenden Teil des Gehäusekörpers 42 zu bilden, um zu verhindern, das ungefiltertes Gas das Filter 70 umgeht, indem es zwischen dem Innenumfang des Innenrings 75 und dem Außenumfang des Zuleitungsrohrs 46 strömt. Weitere mögliche Dichtungsanordnungen umfassen eine Metall-zu-Metall-Dichtung zwischen der Mutter 53 und dem oberen Ende des Zuleitungsrohrs 46 oder Dichtungsglieder wie Dichtungsringe, die zwischen dem Außenring 76 und dem Gehäusekörper 42 und/oder zwischen dem vertikalen Zuleitungsrohr 46 und dem Innenring 75 angeordnet werden.
7 zeigt eine alternative Dichtungsanordnung, bei der eine Dichtung um den Außenumfang des Filters 70 herum gebildet ist durch einen Dichtungsring 67, der in dem Raum zwischen einem geneigten Flansch 50 des Gehäusekörpers 42 und einem geneigten Flansch 61 der Abdeckung 60 entlang des gesamten Außenumfangs des Außenrings 76 des Filters 70 angeordnet ist. Wenn die die Flansche 50 und 61 umschließende V-Bandklemme 65 festgezogen wird, wird der Dichtungsring 67 in dichtenden Kontakt mit dem Außenring 76 des Filters 70 und mit den Innenflächen der beiden geneigten Flansche 50 und 61 gedrückt. Der Dichtungsring 67 kann ein konventioneller Dichtungsring (ein C-Ring, O-Ring etc.) aus einem für Hochtemperaturanwendungen geeigneten Material sein. Mit dieser Anordnung dient ein einziger Dichtungsring 67 nicht nur dazu zu verhindern, dass Gas zwischen dem Filter 70 und dem Gehäuse 41 strömt, sondern er dichtet auch das Gehäuse 41 nach außen ab. In diesem Fall ist es nicht notwendig, den Außenring 76 des Filters 70 in dichtenden Kontakt mit der Leiste 49 des Gehäusekörpers 42 zu drücken, weil eine Abdichtung durch den Dichtungsring 67 erzielt wird; so können die auf das Filter 70 wirkenden Belastungen vermindert werden.
9 ist ein senkrechter Schnitt eines Teils einer anderen Ausführungsform einer Filteranordnung. Diese Anordnung umfasst ein Filter 100 mit einem ringförmigen Filterelement 110 ähnlich dem Filterelement 71 gemäß der Ausführungsform von 5. Das Filterelement 110 umfasst ein poröses Vorfilter 111 und eine oder mehrere hohlscheibenförmige Schichten 112, 113 aus einem gesinterten Metallmedium. Das Filterelement 110 ist von einem Gehäuse aus einem geeigneten Material gehalten, z.B. einem Metall, welches den Temperaturen, bei denen das Filter 100 betrieben werden soll, widerstehen kann. Das Gehäuse umfasst einen Außenring 120, der den Außenumfang des Filterelements 110 umschließt, und einen Innenring 130, der von dem hohlen Zentrum des Filterelements 110 umschlossen ist. Das Gehäuse umfasst ferner eine an den Ringen 120, 130 gesicherte ringförmige Platte 140 oben auf dem Vorfilter 111. Die Platte 140 weist ein Zentralloch auf, welches koaxial mit der Bohrung des Innenrings 130 angeordnet ist, und Öffnungen 141 für die Pas sage von zu filterndem Gas. Die Öffnungen 141 können eine beliebige Gestalt aufweisen, die den Durchfluss von Gas durch die Platte 140, vorzugsweise mit möglichst geringem Druckabfall, gestattet und dabei gleichzeitig der Platte 140 erlaubt, das Vorfilter 111 oben auf den gesinterten Schichten 112, 113 zu halten. Die Platte 140 kann separat von den Ringen 120, 130 gebildet sein, oder sie kann – wie in 9 gezeigt – integral geformt mit einem der Ringe, z.B. dem Außenring 120, ausgebildet und an dem anderen Ring, z.B. dem Innenring 130, auf geeignete Weise, z.B. durch Punktschweißen, gesichert sein. Die gesinterten Schichten 112, 113, die ähnlich den gesinterten Schichten 72a, 72b von 5 sein können, können zu dem Innenring und dem Außenring 120, 130 auf beliebige geeignete Weise abgedichtet sein, z.B. durch Fügen der Schichten 112, 113 mit Presssitz zwischen den Ringen 120, 130. Falls gewünscht, kann ein Halter zum Stützen der gesinterten Schichten 112, 113 von unten, wie der Halter 90 von 5, bereitgestellt werden. Das dargestellte Gehäuse ist sehr wirtschaftlich herzustellen, weil es keiner mechanischen Bearbeitung bedarf, und die Formgebung der Komponenten des Gehäuses kann nach Verfahren erfolgen, die zur Massenfertigung geeignet sind.
Das Filter 100 ist in einem Gehäuse 150 angeordnet, welches einen Körper 151 und eine an dem Körper 151 lösbar montierte Abdeckung 153 aufweist. Der Körper 151 und die Abdeckung 153 können hinsichtlich ihrer Struktur ähnlich dem Körper 42 und der Abdeckung 60 gemäß der Ausführungsform von 4 sein. Der Körper 151 umfasst ein zentrales Zuleitungsrohr 152, korrespondierend zu dem Zuleitungsrohr 46 von 5, das sich durch das Zentrum des Filters 100 erstreckt und durch das zu filterndes Gas in den Bereich innerhalb des Gehäuses 150 auf der Anströmseite des Filters 100 eingeführt werden kann. Der Körper 151 und die Abdeckung 153 können z.B. durch eine V-Bandklemme 154 lösbar miteinander verbunden sein und sind vorzugsweise zueinander und zu dem Außenring 120 des Filters 100 durch ein einziges Dichtungsglied, z.B. einen O-Ring 155, in einer Weise ähnlich der in 7 gezeigten, abgedichtet. Der Innenring 130 ist zu dem Zuleitungsrohr 152 durch ein weiteres Dichtungsglied, z.B. einen O-Ring 156, der an dem Innenring 130 montiert ist und das Zuleitungsrohr 152 umschließt, abge dichtet. Dieser O-Ring 156 ist im Inneren eines kreisförmigen Schlitzes angeordnet, der definiert ist durch eine Ausnehmung 131, welche in der Innenfläche des Innenrings 130 um seinen Innenumfang herum gebildet ist, und durch die untere Oberfläche der Platte 140, die den O-Ring 156 von oben begrenzt. Wie in der Figur gezeigt, können die unteren Oberflächen des Innen- und des Außenrings 120 und 130 von dem Körper 151 des Gehäuses 150 beabstandet sein, und eine Dichtung zwischen dem Filter 100 und dem Gehäuse 150 kann vollständig durch die O-Ringe 155 und 156 realisiert werden. Diese Anordnung führt zu niedrigeren Belastungen auf das Filter 100, als wenn man das Filter 100 gegen das Gehäuse 150 abdichtet, indem man die Ringe 120 und 130 direkt gegen das Gehäuse 150 drückt, wie in der Ausführungsform von 4.
Der Außenring 120 ist mit einem Außendurchmesser gebildet, der von seinem oberen Ende zu seinem unteren Ende hin zunimmt. Im Einzelnen weist er einen zylindrischen Teil 121 kleinen Durchmessers an seinem oberen Ende und einen zylindrischen Teil 122 großen Durchmessers an seinem unteren Ende auf. Der Außendurchmesser des Teils 121 kleinen Durchmessers ist genügend klein, so dass die Abdeckung 153 über den Teil 121 kleinen Durchmessers passt; der Außendurchmesser des Teils 122 großen Durchmessers ist jedoch größer als der Innendurchmesser des Teils der Abdeckung 153, der über das Filter 100 passt. Auf diese Weise kann die Abdeckung 153 nicht zu dem Körper 151 oben auf dem Filter 100 abgedichtet werden, wenn nicht das Filter 100 so ausgerichtet ist, dass der Teil 121 kleinen Durchmessers des Außenrings 120 sich in die Abdeckung 153 hinein erstreckt, und der Teil 122 großen Durchmessers des Außenrings 120 sich in den Körper 151 des Gehäuses 150 hinein erstreckt. Anders ausgedrückt: die Abdeckung 153 kann nur dann zu dem Körper 151 oben auf dem Filter 100 abgedichtet werden, wenn das Filter 100 so ausgerichtet ist, dass das Vorfilter 111 auf der Anströmseite der gesinterten Schichten 112, 113 angeordnet ist. Diese Anordnung verhindert, dass ein Nutzer das Filter 100 verkehrt in das Gehäuse 150 installiert. Der Außenring 120 kann eine Neigungsfläche 123 aufweisen, welche den Teil 121 kleinen Durchmessers und den Teil 122 großen Durchmessers verbindet, gegen die der äußere O-Ring 155 abdichten kann.
Es können verschiedene Arten von gesinterten Materialien als das gesinterte Metallmedium verwendet werden. Einige Beispiele für geeignete Materialien sind Medien aus pulverförmigem Metall, Medien aus faserförmigem Metall, gesinterte Metallgeflechte und Hybride der vorgenannten Medien, z.B. geträgerte poröse Medien mit Metallpartikeln, welche von einem Metallgeflecht oder einem anderen siebartigen Träger getragen und an denselben gesintert sind. Als spezifischere Beispiele für derartige gesinterte Metallmedien lassen sich nennen die von Pall Corporation unter der Handelszeichnung PSS (ein Metallmedium aus gesintertem Edelstahlpulver), PMM (eine poröse gesinterte Metallmembran mit an einen siebartigen Träger gesinterten Metallpartikeln), PMF (ein Medium aus porösem gesintertem faserförmigem Metall), Rigimesh (ein Medium aus gesintertem Drahtgeflechtgewebe), Supramesh (an einen Rigimesh-Träger gesintertes Edelstahlpulver), PMF II (ein Medium aus porösem gesintertem faserförmigem Metall) erhältlichen sowie Kombinationen von mehr als einem dieser Materialien. Ein gesintertes Metallmedium zur Verwendung für die vorliegende Erfindung kann gebildet sein aus einem beliebigen aus einer Vielfalt von metallischen Materialien, einschließlich Legierungen verschiedener Metalle, wie Nickel, Chrom, Kupfer, Molybdän, Wolfram, Zink, Zinn, Gold, Silber, Platin, Aluminium, Cobalt, Eisen und Magnesium, sowie Kombinationen von Metallen und Metalllegierungen, einschließlich borhaltiger Legierungen. Ferner können Messing, Bronze und Nickel/Chrom-Legierungen, z.B. Edelstähle, die Hastelloy-, Monel- und Inconel-Legierungen, sowie eine 50 Gew.-% Nickel/50 Gew.-% Chrom-Legierung verwendet werden.
Der Ausdruck "Medium aus gesintertem faserförmigem Metall" bezieht sich auf ein Medium, gebildet durch Sintern einer Masse von stochastisch angeordneten Metallpartikeln, welche zumindest zum Teil Metallfasern sind. Neben Fasern können die Partikel Nichtfasern umfassen, z.B. nach einem beliebigen gewünschten Prozess gebildete Metallpulver. Der Ausdruck "Fasern", wie er hierin verwendet wird, soll längliche metallische Körper beschreiben, deren Dimensionen in Längsrichtung, d.h. nominalen Längen, größer sind als die Durchmesser der Körper. Die nominale Länge im Falle einer Faser, die gebogen oder nichtlinear ist, ist die Länge, die die Faser im ausgestreckten Zustand aufweisen würde. Das heißt, die Messung der nominalen Länge folgt und umfasst die Biegungen einer nichtlinearen Faser.
Der Ausdruck "Durchmesser" soll sich auf die mittlere querschnittliche Dimension des Körpers über eine enge Dimension beziehen, unabhängig von der Querschnittsgestalt des Körpers. So kann die Querschnittsgestalt der Fasern kreisförmig, oval, rechteckig, bandförmig, quasikreuzförmig, elliptisch, dendritisch, azikulär sein oder eine beliebige andere regelmäßige oder unregelmäßige Gestalt aufweisen. Das Metallpulver in den Metallpartikeln, falls vorhanden, kann Partikel von beliebiger regelmäßiger oder unregelmäßiger Gestalt umfassen. Zum Beispiel kann das Metallpulver im Wesentlichen kugelförmige Partikel umfassen.
Metallfasern in einem Medium aus faserförmigem Metall können vielfältig gestaltet sein, einschließlich linear oder gerade. Beispielsweise können die Metallpartikel in einem Medium aus faserförmigem Metall wenigstens ca. 10%, noch bevorzugter ca. 30% bis ca. 100% nichtlineare Metallfasern umfassen. Nichtlinearität kann den Fasern im Wesentlichen dadurch erteilt werden, dass lineare Fasern in einer Hammermühle oder einer anderen Vorrichtung, welche die Fasern durch die Anwendung von mechanischer Energie stochastisch biegt, bearbeitet werden. Die resultierenden nichtlinearen Fasern zeigen ein "geknicktes" Aussehen, gekennzeichnet durch wenigstens einen Richtungswechsel, häufiger eine Mehrzahl von stochastischen Richtungswechseln, die den Fasern ein gekrümmtes, verdrilltes, hakenförmiges, korkenzieherförmiges, gekräuseltes oder sonstwie gebogenes oder gewelltes Aussehen geben. Ferner sind die bearbeiteten Fasern in ihrer nominalen Länge gleichmäßiger.
Die Fasern in einem Medium aus faserförmigem Metall können nach einem beliebigen bekannten Verfahren zur Herstellung von Metallfasern oder Drähten gebildet werden, und das Medium aus faserförmigem Metall kann eine Mischung von Fasern enthalten, welche nach verschiedenen Verfahren gebildet sind. Für Fasern kleinen Durchmessers bis zu ca. 40 μm Durchmesser sind Beispiele für geeignete Fasertypen bündelgezogene Fasern und Stahlwollefasern, die auf eine geeignete Länge geschnitten sind. Für Fasern mit einem Durchmesser von mehr als ca. 40 μm sind Fasern, welche nach dem Schmelz überlauf-Gussverfahren gebildet sind, wegen ihrer niedrigen Kosten verglichen mit nach anderen Verfahren gebildeten Fasern vergleichbaren Durchmessers besonders geeignet. Das Schmelzüberlauf-Gussverfahren zum Bilden von Metallfasern ist z.B. in den US-Patenten Nr. 5 213 151, Nr. 4 977 951, Nr. 4 930 565 und Re. 33 327 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein Behälter mit geschmolzenem Metall benachbart zu einem rotierenden Rad oder Trommel positioniert. Geschmolzenes Metall fließt über den Rand des Behälters und auf das rotierende Rad, wo es erstarren gelassen wird, um Metallfasern zu bilden, die von dem Rad auf eine zum Sammeln geeignete Weise entfernt werden. Beispielsweise kann der den Fasern durch die Rotation des Rades erteilte Impuls genutzt werden, um die Fasern von dem Rad auf eine Rückgewinnungsfläche abzuwerfen.
Wenn den gegossenen Fasern Nichtlinearität verliehen werden soll, können sie in einer Vorrichtung, z.B. einer G5HFS-Hammermühle, ein Produkt der Fa. Prater Industrial Products, Inc., bearbeitet werden, bis sie eine gewünschte Größe und Gestalt aufweisen. Die Fasern können in der Hammermühle behandelt werden, bis bei wenigstens ca. 40% der Fasern jede eine Mehrzahl von Biegungen aufweist.
Fasern, welche nach dem Schmelzüberlauf-Gussverfahren hergestellt und dann in einer Hammermühle bearbeitet worden sind, sind nicht nur gebogen und geknickt, sondern sie weisen häufig auch eine im Wesentlichen halbmondförmige Gestalt im Querschnitt auf, wie in 8 dargestellt. Die Querschnitte der halbmondförmigen Fasern 99 können sich verjüngende Spitzen aufweisen, wodurch dem Querschnitt das Aussehen eines "Viertelmondes" verliehen wird. Die Dicke des Faserquerschnitts kann entweder gleichmäßig oder sich verjüngend entlang der Ränder sein. Der den Halbmond definierende Bogen ist im Wesentlichen nicht größer als ca. π Radiant (180°). Vorzugsweise ist der Bogen ca. π/2 bis ca. π Radiant.
Wenn ein gesintertes Metallmedium zur Verwendung für die vorliegende Erfindung ein Medium aus faserförmigem Metall ist, sind die Metallfasern, unabhängig von dem Verfahren, nach dem sie gebildet werden, vorzugsweise eher grob; z.B. liegt der Durchmesser bevorzugt im Bereich von ca. 1 bis ca. 150 μm, noch bevorzugter ca. 10 bis ca. 125 μm, weiter bevorzugt ca. 20 bis ca. 100 μm. Die nominale Länge der Metallfasern ist bevorzugt in einem Bereich von ca. 100 μm bis ca. 20 mm angesiedelt, noch bevorzugter ca. 2 mm bis ca. 8 mm. Allgemein liegt das Aspektverhältnis (nominale Länge dividiert durch den Durchmesser) für mindestens 50% der Fasern vorzugsweise bei ca. 3 bis ca. 700, bevorzugt ca. 150 bis ca. 700. Das Medium aus gesintertem faserförmigem Metall weist bevorzugt relativ große nominale geometrische Porengrößen auf, die im Bereich von ca. 25 bis ca. 750 μm, noch bevorzugter ca. 50 bis ca. 200 μm angesiedelt sind.
Ein Medium aus gesintertem faserförmigem Metall zur Verwendung für die vorliegende Erfindung kann nach vielfältigen Verfahren gebildet werden, die sich grob einteilen lassen als entweder "nass" oder "trocken". Bei Nassverfahren werden Metallpartikel, welche Fasern enthalten, in einem flüssigen Medium suspendiert und dann zu einer Struktur geformt, die dann gesintert wird, um das gesinterte Metallmedium zu bilden. Bei Trockenverfahren wird kein flüssiges Medium verwendet; die Struktur wird durch Zusammenpressen der Metallpartikel gebildet, so dass die resultierende Struktur eine ausreichende "Grünfestigkeit" aufweist, um Sintern zu gestatten.
[Bei einer bevorzugten Form eines Nassverfahrens wird eine stabilisierte Suspension bereitgestellt, umfassend ein "trocken". Bei Nassverfahren werden Metallpartikel, welche Fasern enthalten, in einem flüssigen Medium suspendiert und dann zu einer Struktur geformt, die dann gesintert wird, um das gesinterte Metallmedium zu bilden. Bei Trockenverfahren wird kein flüssiges Medium verwendet; die Struktur wird durch Zusammenpressen der Metallpartikel gebildet, so dass die resultierende Struktur eine ausreichende "Grünfestigkeit" aufweist, um Sintern zu gestatten.]
Bei einer bevorzugten Form eines Nassverfahrens wird eine stabilisierte Suspension bereitgestellt, umfassend ein flüssiges Medium, wie in den US-Patenten Nr. 4 822 692, Nr. 4 828 930 oder Nr. 5 149 360 offenbart, die allesamt durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden. Die stabilisierte Suspension von Metallpartikeln kann ferner ein Stabilisierungsmittel und/oder ein Bindemittel umfassen. Noch bevorzugter dient ein einziger Be standteil, d.h. ein Stabilisierungs-/Bindemittel, sowohl dazu, die Dispersion von Metallpartikeln zu stabilisieren als auch dazu, nach dem Trocknen der Suspension die einzelnen Partikel aneinander zu binden und die erforderliche ungesinterte oder Grünfestigkeit bereitzustellen.
Typisch wird die stabilisierte Suspension von Metallpartikeln hergestellt unter Verwendung eines Trägers, gebildet durch Kombinieren des Stabilisierungs-/Bindemittels mit dem flüssigen Medium, welches der leichten Handhabung und Entsorgung wegen bevorzugt Wasser ist. Ein bevorzugtes Stabilisierungs-/Bindemittel macht ca. 0,1% bis ca. 2% des Gesamtgewichts des Trägers aus. Es können vielfältige Stabilisierungs-/Bindemittel verwendet werden. Polyacrylsäuren sind besonders wünschenswert. Allgemein sind Polyacrylsäuren mit Molekulargewichten von ca. 1000000 bis ca. 4000000 geeignet. Beispiele für derartige Säuren sind CARBOPOL^®934 und CARBOPOL^®941, hergestellt von B. F. Goodrich Chemical Co. CARBOPOL^®934 hat ein Molekulargewicht von ca. 3000000 und CARBOPOL^®941 weist ein Molekulargewicht von ca. 1250000 auf. Andere Materialien, welche Verwendung finden können, umfassen Carboxyethylcellulose, Polyethylenoxid, Natriumalginat, Carboxymethylcellulose, Guargummi, Methylcellulose und Johannisbrotgummi. Allgemein können bei Verwendung von Wasser als flüssiges Medium wasserverträgliche Stabilisierungs-/Bindemittel verwendet werden, welche sich vor oder während des Sinterns im Wesentlichen vollständig verflüchtigen und/oder zersetzen.
Beispielsweise beträgt bei einem Träger, der aus einer CARBOPOL^®934/Wasser-Mischung gebildet ist, wobei CARBOPOL^®934 ca. 1,4 Gew.-% (basierend auf dem Gewicht des Trägers) ausmacht, die Viskosität des Trägers ca. 1,25 Pa s (1250 cp) bei 20°C.
Mischungen von CARBOPOL^®934 und Wasser sind bevorzugte Träger, weil die Kombination Zusammensetzungen liefert, deren Viskositäten im Wesentlichen konsistent und leicht reproduzierbar sind. Basierend auf dem Durchmesser und der Länge der größten Metallfasern der Metallpartikel, die suspendiert werden sollen, kann die Viskosität des Trägers, die die Suspension ausrei chend stabil werden lässt, bestimmt werden. Die gewünschte Viskosität des Trägers ist diejenige, welche die Metallpartikel in Suspension halten und dadurch eine im Wesentlichen gleichmäßige Dispersion vor Ablage in einem Formungsschritt, wie nachfolgend beschrieben, aufrechterhalten kann. Beispielsweise ist eine Viskosität im Bereich von ca. 1 Pa s (ca. 1000 cp) bis ca. 4 Pa s (ca. 4000 cp) geeignet für die vorher diskutierten bevorzugten nichtlinearen Fasern. Die Viskosität wird durch Variieren der Menge des Stabilisierungs-/Bindemittels in dem Träger eingestellt. Im Allgemeinen ist eine niedrigere Trägerviskosität erwünscht, und demnach kann weniger Stabilisierungs-/Bindemittel mit feineren Metallpartikeln verwendet werden, weil feinere Partikel eine geringere Neigung zum Ausfallen zeigen.
Der Träger wird bevorzugt gemischt, bis eine gleichmäßige Dispersion des Stabilisierungs-/Bindemittels erreicht ist. Die Fasern enthaltenden Metallpartikel werden dann zugegeben und mit dem Träger gemischt, um eine gleichmäßige stabilisierte Dispersion oder Suspension der Partikel in dem Träger bereitzustellen. Das Gewichtsverhältnis der Partikel zu dem Träger liegt typisch im Bereich von ca. 1:20 bis ca. 1:2.
Ein Additiv, wie ein Keramikmaterial, z.B. Mullit, kann mit der stabilisierten Suspension gemischt werden, um den Schutz des gesinterten Metallmediums bei Hochtemperaturexposition zu unterstützen.
Bei einem "Ablage"-Nassverfahren zum Bilden eines Mediums aus gesintertem faserförmigem Metall wird die Suspension von in dem Träger dispergierten Partikeln in eine Form injiziert, welche einen Hohlraum definiert. Um die Gleichförmigkeit der Suspension zu verbessern, kann die Form während der Injektion gedreht werden. Bevorzugt wird die Form bei ca. 200 U/min oder weniger gedreht. Der Hohlraum kann eine beliebige Gestalt korrespondierend zu der gewünschten Gestalt des Filters aufweisen.
Der Boden des Hohlraums ist mit Drainageöffnungen versehen, z.B. ein Geflecht mit Öffnungen, welche den Träger aus dem Hohlraum ablaufen lassen, während die Metallpartikel zurückgehalten werden. Die Suspension wird dann druckgefiltert oder vakuumgefiltert, um den Träger aus der Suspension zu entfernen. Die Druckfiltration kann durchgeführt werden durch Einführen eines ringförmigen Stößels in die Form im oberen Bereich des Hohlraums und Treiben des Stößels, so dass die Flüssigkeit aus dem Hohlraum durch die Drainageöffnungen gezwungen wird. Der Stößel verdichtet also die Metallpartikel und verzahnt sie mechanisch miteinander, während der Träger durch die Drainageöffnungen aus der Form ausgetrieben wird. Das bevorzugte Maß an Druck, welches auf die Struktur ausgeübt wird, um die Struktur geeignet zu verdichten, liegt im Bereich von ca. 68,95 bis ca. 551,6 MPa (ca. 10000 bis ca. 80000 psi), noch bevorzugter ca. 137,9 bis ca. 413,7 MPa (ca. 20000 bis ca. 60000 psi).
Die Vakuumfiltration beinhaltet die Anwendung eines Vakuums auf die Drainageöffnungen und das Absaugen der Flüssigkeit aus dem Hohlraum. Je nach Grad des Vakuums können die Metallpartikel verdichtet und mechanisch verzahnt werden wie bei der Druckfiltration. Im Allgemeinen ist der Verdichtungsgrad aber geringer als mit Druckfiltration.
Die resultierende verdichtete Metallpartikelstruktur wird aus der Form entnommen und getrocknet. Das Trocknen wird bevorzugt in einem Konvektionsofen bei einer Temperatur von ca. 37,8 bis ca. 98,9°C (ca. 100 bis ca. 210°F) für ca. 30 bis ca. 45 min oder länger durchgeführt. Die einzelnen Partikel der Struktur werden durch das Stabilisierungs-/Bindemittel während des Trocknens weiter aneinander gebunden, so dass die Struktur ausreichend Festigkeit aufweist, um ihre Integrität und Gestalt während der Weiterverarbeitung zu bewahren.
Die Metallpartikelstruktur wird sodann durch Sintern weiterverarbeitet, um ein Medium aus gesintertem faserförmigem Metall zu erhalten. Das Sintern kann durchgeführt werden, indem die Struktur in einen Ofen platziert wird, z.B. in einen Vakuumofen, einen Ofen mit inerter Atmosphäre oder einen Ofen mit reduzierender Atmosphäre. Das Sintern entfernt flüchtiges Material und "verschweißt" die einzelnen Partikel der Metallpartikel an den Übergängen zwischen den Metallfasern und, falls vorhanden, dem Metallpulver miteinander, mit zwischen den Metallpartikeln definierten Hohlräumen.
Die Sintertemperatur kann ausgewählt sein auf Basis der Materialien, aus denen die Metallpartikel gebildet sind. Das Sintern kann entweder Festkörper diffusionssintern oder Flüssigphasensintern sein. Für das Festkörperdiffusionssintern von Edelstahlmetallfasern wurde eine Temperatur im Bereich von ca. 871 bis ca. 1399°C (ca. 1600 bis ca. 2550°F), noch bevorzugter von ca. 1038 bis ca. 1385°C (ca. 1900 bis ca. 2525°F) für eine Zeitspanne von ca. 1/2 h oder weniger bis ca. 8 h oder mehr als geeignet gefunden. Wenn niedriger schmelzende Materialien verwendet werden, wird die Sintertemperatur entsprechend angepasst. So sind z.B. im Falle von Bronzepartikeln Temperaturen im Bereich von ca. 1300 bis ca. 1900°F geeignet für das Festkörperdiffusionssintern.
Nach Beendigung des Sinterns wird das resultierende gesinterte Metallmedium abgekühlt und dann aus dem Ofen entnommen. Nach dem Kühlen kann das gesinterte Metallmedium leicht gehandhabt werden infolge der Bildung von Sinterbindungen an den Übergängen zwischen den Partikeln.
Bei einem Trockenverfahren zum Bilden eines Mediums aus gesintertem faserförmigem Metall, bei dem keine flüssige Suspension oder Träger verwendet wird, werden trockene Metallpartikel durch eine Siebvorrichtung in eine Form eingeführt. Vorzugsweise wird die Form mit den Partikeln gefüllt. Während die Partikel in die Form eingeführt werden, kann die Form gedreht werden, wie im Vorstehenden bezüglich des Ablage-Schrittes für Nassverfahren erläutert.
Bei einem besonders bevorzugten Verfahren zum Einführen der Metallpartikel umfasst die Form einen Kernabschnitt und einen Hülsenabschnitt. Der Kernabschnitt weist einen konischen oberen Teil und einen zylindrischen unteren Teil auf. Der Hülsenabschnitt umschließt den zylindrischen unteren Teil des Kernabschnitts, wobei ein Ringraum zwischen dem Hülsenabschnitt und dem zylindrischen unteren Teil des Kernabschnitts definiert ist. Die Metallpartikel werden in die Form eingeführt, indem sie auf den konischen oberen Teil des Kernabschnitts gesiebt werden. Die Partikel fallen durch den Einfluss der Schwerkraft auf den konischen oberen Teil, gleiten die konische Oberfläche des konischen oberen Teils hinab und sammeln sich in stochastischer Weise in dem Ringraum zwischen dem zylindrischen unteren Teil des Kernabschnitts und dem Hülsenabschnitt. Dieses Verfahren sorgt für eine gleichmäßigere Partikelverteilung in der Form als andere Verfahren, weil u.a. die Gleichmäßigkeit der Verteilung nicht eine Funktion der Rate ist, bei der die Partikel in die Form eingeführt werden.
Als ein Beispiel für ein nicht bevorzugtes Verfahren kann die Spitze eines Trichters über den Ringraum in der Form positioniert werden und Partikel können in den Trichter gesiebt werden, während die Spitze des Trichters den Ringraum durchläuft. Es sammeln sich dann mehrfache Schichten der Partikel in der Form. Gelegentlich als "Filzen in Ebenen" bezeichnet, kann dieses Verfahren eine ungleichmäßige Partikelverteilung erzeugen, insbesondere dann, wenn die Laufgeschwindigkeit des Trichters und die Einführungsrate der Partikel nicht eng kontrolliert werden.
Unabhängig davon, wie die Partikel in die Form eingeführt werden, werden sie, nachdem sie in der Form deponiert worden sind, in der Form verdichtet, um eine verdichtete Partikelstruktur zu bilden. Die Verdichtung kann durchgeführt werden, indem ein ringförmiger Stößel in die Form eingeführt wird. Der Stößel wird bei einem beliebigen geeigneten Druck zur Bereitstellung einer gewünschten Permeabilität nach unten in die Form getrieben. Um den Dichtegradienten über der Höhe des Filters zu reduzieren, können alternativ die Partikel dadurch verdichtet werden, dass ein erster Stößel abwärts getrieben und ein zweiter Stößel aufwärts getrieben wird, so dass das Partikelmaterial von zwei Richtungen komprimiert wird. Die auf die Partikel angewandte Kraft ist ähnlich der im Vorstehenden für das "Ablage"-Nassverfahren beschriebenen.
Die Permeabilität der resultierenden komprimierten Struktur kann gleichmäßiger gemacht werden, indem den Metallpartikeln vor der Verdichtung ein Trockenschmiermittel zugegeben wird. Stearinsäure und Zinkstearat sind bevorzugte Trockenschmiermittel, es können jedoch auch andere Schmiermittel, wie sie dem Fachmann wohlbekannt sind, Verwendung finden.
Wenn die Metallpartikel nichtlineare Fasern umfassen, kommt es während der Trockenlege- und Verdichtungsschritte zu einer beträchtlichen mechanischen Verzahnung.
Nach Verdichtung wird die resultierende verdichtete Metallpartikelstruktur aus der Form entnommen. Die Struktur hat ausreichend Grünfestigkeit, so dass sie leicht zu handhaben und zu transportieren ist. Sie wird dann wie im Vorstehenden beschrieben gesintert. Während des Sinterns wird das Trockenschmiermittel abgebrannt und es bilden sich Sinterbindungen an den Übergängen zwischen den Fasern und, falls vorhanden, dem Metallpulver, mit sich zwischen den Metallpartikeln erstreckenden Hohlräumen.
Unabhängig davon, welches der obengenannten Verfahren verwendet wird, um das Medium aus faserförmigem Metall zu bilden, kann dieses durch mechanische Mittel entweder vor oder nach dem Sintern weiter bearbeitet werden. Beispielsweise kann das gesinterte Metallmedium mechanisch bearbeitet, geschnitten, gewalzt, geprägt oder eingezogen werden, um eine gewünschte Gestalt zu erhalten. Es kann ferner geschweißt, gelötet und/oder nachgesintert werden.
Ein Medium aus gesintertem faserförmigem Metall zur Verwendung für ein Filter in Einklang mit der vorliegenden Erfindung kann eine Permeabilität und/oder ein Hohlraumvolumen aufweisen, die variieren. Die Permeabilität und/oder das Hohlraumvolumen des gesinterten Metallmediums können durch vielfältige Methoden variiert werden. Beispielsweise kann ein Bereich niedriger Permeabilität gebildet werden durch mechanische Verdichtung eines Bereichs hoher Permeabilität. Wenn das gesinterte Metallmedium unter Verwendung des im Vorstehenden beschriebenen Nassverfahrens hergestellt wird, besteht ein bevorzugteres Verfahren zum Variieren der Permeabilität in der Verwendung einer Mehrzahl von verschiedenen Suspensionen, wobei jede Suspension zu einer anderen Permeabilität führt. Beispielsweise kann eine Suspension Metallpartikel enthalten, die eine kleinere nominale Partikelgröße, z.B. einen kleineren Filterpartikeldurchmesser, als die Partikel, die in der/den anderen Suspension/en enthalten sind, aufweisen und/oder eine andere Gestalt als die in der/den anderen Suspension/en enthaltenen Partikel aufweisen. Ferner können die Suspensionen Partikelkonzentrationen enthalten, die voneinander verschieden sind. Alternativ kann ein Keramikmaterial zu dem Partikelmaterial, welches in einer der Suspensionen verwendet wird, hinzugegeben werden. Die verschiedenen Suspensionen können nacheinander in eine Form als Schichten eingeführt werden, was zu Schichten mit unterschiedlicher Permeabilität führt.
Ein Medium aus gesintertem faserförmigem Metall, welches Bereiche mit hoher und niedriger Permeabilität und/oder Hohlraumvolumen aufweist, kann ferner aufgebaut werden durch Modifizieren des Trockenverfahrens in einer Weise ähnlich der im Vorstehenden bezüglich des Nassverfahrens beschriebenen.
Das heißt, das Trockenverfahren kann modifiziert werden durch Zugabe von Mengen an Metallpartikeln in alternierenden Schichten mit unterschiedlicher Permeabilität oder Hohlraumvolumen.
Beispiel
Ein erfindungsgemäßes Testfilter wurde zusammengebaut und einem beschleunigten Belastungstest unterworfen, um die Fähigkeit des Filters, Rußpartikel in der Luft einzufangen, zu messen.
Das Testfilter umfasste ein Vorfilter und zwei Schichten eines gesinterten Metallmediums.
Das Vorfilter umfasste 25 scheibenförmige Schichten von ungesintertem Drahtgeflechtgewebe aus Edelstahldraht mit einem Drahtdurchmesser von 0,102 mm (0,004 in). Die Schichten waren übereinander gestapelt, um eine Gesamtdicke von 17,1 mm (0,675 in) zu erhalten. Das Vorfilter hatte einen Durchmesser von 8,45 cm (3,325 in) und ein Hohlraumvolumen von 98,93%.
Jede Schicht des gesinterten Metallmediums lag in Form einer Scheibe mit einem Durchmesser von 0,076 mm (3,325 in), gebildet aus einem Medium aus gesintertem faserförmigem Metall, vor. Die erste Schicht umfasste nach dem Schmelzüberlauf-Gussverfahren gebildete Edelstahlfasern mit einem nominalen Durchmesser von 0,003 in (die Faserdurchmesser lagen überwiegend im Bereich von 50–75 μm). Diese Schicht hatte eine Dicke von 4,32 mm (0,170 in) und ein Hohlraumvolumen von 85,60%. Die zweite oder stromabwärtige Schicht umfasste durch Bündelziehen gebildete Edelstahlfasern mit einem nominalen Durchmesser von 0,025 mm (0,001 in) (die Faserdurchmesser lagen überwiegend im Bereich von 20–30 μm). Diese Schicht hatte eine Dicke von 3,94 mm (0,155 in) und ein Hohlraumvolumen von 92,70%.
Die Gesamtdicke des Vorfilters und der zwei gesinterten Metallschichten betrug 2,54 cm (1,0 in). Diese drei Komponenten wurden in einen Rahmen ge spannt, mit der ersten gesinterten Metallschicht sandwichartig zwischen dem Vorfilter und der zweiten gesinterten Metallschicht angeordnet.
Das Testfilter wurde in eine Testvorrichtung installiert, die eine Leitung umfasste, durch die Luft bei einer kontrollierten Rate geleitet werden konnte. Das Testfilter war mit dem Vorfilter auf der Anströmseite des Testfilters ausgerichtet. Der Rahmen, in den das Vorfilter und die gesinterten Metallschichten gespannt waren, überlappte den Außenumfang der Anströmoberfläche des Vorfilters etwas, so dass der Teil der Anströmoberfläche des Vorfilters, der der Luft direkt ausgesetzt war, ein kreisförmiger Bereich mit einem Durchmesser von 7,62 cm (3,0 in) war. Ein Absolutfilter mit einem Glasfasermedium, welches in der Lage war, im Wesentlichen 100% der Partikel in der zu verwendenden Teststaubmischung zu entfernen, wurde in der Testvorrichtung stromabwärts des Testfilters installiert, so dass alle das Testfilter passierende Luft auch das Absolutfilter passieren würde.
Es wurde eine Luftströmung von 2,08 m³/h (73,6 SCFH) (Geschwindigkeit 7,62 m/m [25 FPM] an der Stirnseite des Testfilters) durch das Testfilter mittels einer stromabwärts des Testfilters angeordneten Saugpumpe hergestellt und während des gesamten Tests konstant gehalten. Der Test wurde bei Raumtemperatur durchgeführt. Bei dem Test wurde eine Teststaubmischung allmählich in den Luftstrom auf der Anströmseite des Testfilters bei einer konstanten Rate von 10 g pro 20 Minuten eingesprüht. Die Teststaubmischung, welche die rußigen Partikel in der Abzapfluft eines Hilfstriebwerks eines Flugzeugs simulierte, bestand aus 3 Gew.-TIn. SAE Fine Test Dust (mit einer vorgeschriebenen Partikelgrößenverteilung im Bereich von 0–80 μm) und 1 Gew.-Tl. Carbon Black (typisch mit einer Partikelgröße von höchstens 1 μm). Vor dem Test wurde die Teststaubmischung in einem Ofen getrocknet, um die Feuchtigkeit auszutreiben.
Während der Luftstrom das Testfilter passierte, wurde der Druckabfall über das Testfilter alle 20 Minuten gemessen. Die Zugabe der Teststaubmischung zu dem Luftstrom wurde für 4 Stunden fortgesetzt, dann der Luftstrom angehalten und das Testfilter und das Absolutfilter vorsichtig aus der Testvorrichtung entnommen. Nachdem jegliche Metallfasern, die sich von dem Test filter gelöst hatten, von dem Absolutfilter entfernt worden waren, wurde das Absolutfilter in einem Ofen thermisch behandelt und dann gewogen. Ein auf der Anströmoberfläche des Vorfilters gebildeter Schmutzkuchen wurde sorgfältig von dem Vorfilter entfernt und gewogen. Das Vorfilter und die zwei gesinterten Metallschichten wurden ebenfalls aus dem Rahmen des Testfilters entnommen und einzeln zusammen mit ihren eingeschlossenen Partikeln gewogen. Das Gewicht der Partikel, die von jedem Teil des Testfilters eingefangen worden waren, wurde bestimmt durch Subtrahieren des Gewichts jedes Teils im sauberen Zustand bei Beginn des Tests. Eine kleine Menge der Teststaubmischung wurde nicht von dem Testfilter oder dem Absolutfilter zurückgewonnen und es wurde angenommen, dass diese den Innenflächen der Testvorrichtung stromaufwärts des Testfilters anhaftete. Die Filtrationseffizienz des Testfilters als Ganze wurde berechnet aus dem Gesamtgewicht der durch das Testfilter eingefangenen Teststaubpartikel dividiert durch das Gesamtgewicht der durch das Testfilter und das Absolutfilter eingefangenen Teststaubpartikel.
Die Resultate der Gewichtsmessungen waren wie folgt.

(a) Gesamtgewicht der Teststaubmischung, die dem Luftstrom während des Tests zugegeben wurde: 120 g
(b) Gewicht der Partikel im Schmutzkuchen: 89,8 g
(c) Gewicht der Partikel im Vorfilter: 28,10 g
(d) Gewicht der Partikel in der anströmseitigen gesinterten Metallschicht: 1,646 g
(e) Gewicht der Partikel in der stromabwärtigen gesinterten Metallschicht: 0,029 g
(f) Gewicht der Partikel im Absolutfilter: 0,07 g
(g) Rückgewonnenes Gesamtgewicht = (b) durch (f): 119,645 g
(h) Durch Testfilter rückgewonnenes Gesamtgewicht = (b) durch (e): 119,575 g Filtrationseffizienz = (h)/(g) × 100 = 119,575 g/119,645 g × 100 = 99,94%

Das Filter war also in der Lage, Rußpartikel, die denjenigen ähneln, welche in Triebwerksabzapfluft gefunden werden, mit extrem hoher Effizienz einzufangen.

Claims

Triebwerksanordnung, umfassend ein Flugzeugtriebwerk, das eine Gasturbine mit einer Abzapfgasleitung umfasst; und ein Filter in Fluidverbindung mit der Abzapfgasleitung, das ein gesintertes Metallmedium mit einem Hohlraumvolumen im Bereich von 50 bis 95% und ein auf der Anströmseite des gesinterten Metallmediums angeordnetes Vorfilter umfasst, wobei das Vorfilter poröser ist als das gesinterte Metallmedium und wobei das Filter eine Einfangeffizienz von wenigstens 95% für Rußpartikel mit einer Größe im Bereich von 1 μm bis 5 μm aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei das gesinterte Metallmedium ein Hohlraumvolumen im Bereich von 75 bis 95% aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das gesinterte Metallmedium ein Medium aus gesintertem faserförmigem Metall, ein Medium aus gesintertem pulverförmigem Metall, ein Medium aus gesintertem Metallgeflecht oder eine gesinterte Kombination aus faserförmigem Metall, pulverförmigem Metall oder Metallgeflecht umfasst.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das gesinterte Metallmedium gesinterte Fasern mit einer nominalen Länge von 100 μm bis 20 mm umfasst.
Anordnung nach Anspruch 4, wobei die Fasern einen Durchmesser von 1 μm bis 150 μm aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 5, wobei die Fasern einen Durchmesser von 10 μm bis 125 μm aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 6, wobei die Fasern einen Durchmesser von 20 μm bis 100 μm aufweisen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Fasern durch Schmelzüberlauf-Guss gebildet sind und einen Durchmesser von mehr als 40 μm aufweisen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei wenigstens ein Teil der Fasern vor dem Sintern mechanisch bearbeitet wird, um ihnen Nichtlinearität zu verleihen.
Anordnung nach Anspruch 9, wobei wenigstens ein Teil der Fasern mit einer Hammermühle mechanisch bearbeitet wird, um ihnen Nichtlinearität zu verleihen.
Anordnung nach Anspruch 8, wobei wenigstens ein Teil der Fasern einen im Wesentlichen halbmondförmigen Querschnitt aufweist, der einen Bogen von höchstens π Radiant definiert.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das gesinterte Metallmedium eine erste und eine zweite Schicht umfasst, und wobei die erste Schicht zwischen der zweiten Schicht und dem Vorfilter angeordnet ist und eine größere mittlere Porenweite aufweist als die zweite Schicht.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Vorfilter ein Hohlraumvolumen von wenigstens 90% aufweist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Vorfilter ein Polster aus Wirkgeflecht umfasst.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Vorfilter ein Metallfiltermedium umfasst.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Triebwerk ein Hilfstriebwerk für ein Flugzeug umfasst.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend ein mit der Abzapfgasleitung verbundenes Druckstoßkontrollventil, wobei das Filter auf der Anströmseite des Druckstoßkontrollventils mit einer Fließverbindung in die Abzapfgasleitung eingebunden ist.