Устройство фильтрации воздуха на входе двигателя внутреннего сгорания со средством вентиляции

Устройство фильтрации воздуха на входе в двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере один фильтрующий элемент с входом для подлежащего обработке воздуха, первый выход очищенного воздуха в направлении двигателя и второй выход воздуха в окружающую среду, средство вентиляции, обеспечивающее вытяжку воздуха, начиная со второго выхода воздуха. Средство вентиляции содержит колесо вентилятора, установленное с возможностью вращения в картере и приводимое во вращение турбиной, приводимой в движение газовым потоком, отбираемым с двигателя. Турбина и колесо вентилятора располагаются концентрично относительно друг друга. Картер содержит цилиндрическую оболочку, первую стенку, которая образует изгиб с радиальным входом, который соединяется с цилиндрической оболочкой, и вторую стенку, которая образует изгиб с радиальным входом, который соединяется с цилиндрической стенкой, имеющей радиус, превышающий радиус указанной цилиндрической оболочки. Круговая внутренняя поверхность цилиндрической оболочки образует первый кольцевой канал осевого воздушного потока. Круговая наружная поверхность цилиндрической оболочки и первая и вторая стенки образуют второй канал для второго воздушного потока, причем второй кольцевой канал имеет радиальный вход и осевой выход. Первый воздушный поток засасывает воздух из внутренней части фильтра, а второй воздушный поток является потоком газа, отбираемого от двигателя для приведения в движение колеса вентилятора турбиной. Изобретение направлено на уменьшение массы устройства фильтрации воздуха, его стоимости и облегчение ремонта. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания, а более конкретно к области газотурбинных двигателей, таких, которые используются в самолетостроении и, в частности, в вертолетах. Оно касается обработки всасываемого воздуха подобными установками.

Вертолет может быть вынужден перемещаться в среде, содержащей большое количество свободных частиц, например песка или пыли. Находясь вблизи земли, при взлете или при посадке, вертолет поднимает и переводит во взвешенное состояние в воздухе большое количество частиц, которые засасываются в двигатели. В результате ухудшаются характеристики двигателей, и они подвергаются значительной коррозии от частиц, которые через них проходят.

Для ограничения этого явления применяют, как известно, устройства обработки воздуха на входе в двигатель, называемые песочными фильтрами, с помощью которых взвешенные в воздухе частицы отделяются от последнего и удаляются из него.

Известный песочный фильтр относится к типу Вортэкс. Он включает в себя полость параллелепипедной или кольцеобразной формы, в которой располагаются трубчатые фильтрующие элементы, проходящие через полость из одного ее конца в другой, внутри которых воздух приводится в турбулентное движение. Первый осевой выход соединен с впускным каналом двигателя, а второй, боковой, выходит во внутреннюю часть полости. Внутренняя часть этой полости вентилируется для обеспечения удаления воздуха, загруженного частицами, в окружающую среду.

Вентиляция, называемая вторичной, обеспечивается устройством, позволяющим привести в движение воздух, содержащий большое количество частиц, с расходом, величина которого может составлять до 10% от расхода машины.

Известные устройства включают в себя вентилятор, приводимый в действие электрическим двигателем, отбор электрической энергии в котором осуществляется с самого двигателя или же с вертолета. Отбор энергии требует наличия систем выключения, контроля и защиты. Таким образом, хотя и очень гибкое в применении, так как оно позволяет управлять отбором в зависимости от потребностей и фаз полета, это устройство отличается относительной трудоемкостью при сборке и прокладке электропроводки, а также сложностью в электрическом управлении.

Согласно другому известному решению вентиляция обеспечивается посредством эжектора с применением трубки Вентури. Поток, необходимый для работы эжектора, отбирается со ступени высокого давления двигателя. Преимуществом этой системы является высокая надежность и относительно низкая масса. Однако отбор со ступени высокого давления - очень дорогая операция с точки зрения обеспечения рабочих характеристик, и он снижает диапазон эксплуатационных режимов двигателя.

Авторы изобретения поставили себе целью обеспечить расход вентиляции системы фильтрации по Вортэксу за счет использования средства, не имеющего недостатков, характерных для известных технических решений.

Задачей изобретения является создание устройства вентиляции, представляющего собой наилучшее компромиссное решение по сравнению с известными техническими решениями, с точки зрения его стоимости и его ремонтоспособности.

Задачей изобретения является также создание устройства вентиляции, представляющего собой наилучшее компромиссное решение по сравнению с известными техническими решениями, с точки зрения его массы, его стоимости и его ремонтоспособности.

Указанные задачи решаются с помощью устройства фильтрации воздуха, установленного на входе двигателя внутреннего сгорания, содержащего по меньшей мере один элемент фильтрации с входом для прохождения подлежащего обработке воздуха, первый выход очищенного воздуха в направлении двигателя и второй выход воздуха в окружающую среду, средство вентиляции, обеспечивающее вытяжку воздуха из указанного второго выхода воздуха, отличающееся тем, что средство вентиляции включает в себя колесо вентилятора, приводимое во вращение турбиной, приводимой в движение газовым потоком, отбираемым с двигателя, при этом турбина и колесо вентилятора расположены концентрично относительно друг друга.

Применение турбины позволяет уменьшить отбор по сравнению с системами на базе эжектора, при этом величина давления газового потока может быть равной промежуточной величине сжатия или даже величине давления на нижней ступени турбины.

В частности, образующие турбину лопасти располагаются радиально снаружи кольца, соединяющего наружные концы лопастей вентилятора.

Можно создать, таким образом, экономичный, с точки зрения технического обслуживания, моноблок.

Преимуществом рассматриваемого изобретения является то, что турбина относится к типу активных.

Снижается, таким образом, необходимость в герметичном отделении друг от друга газовых потоков, проходящих через турбину и крыльчатку, соответственно.

Предпочтительно, чтобы колесо вентилятора и турбина образовывали ротор, установленный в картере, в котором предусмотрены центральный канал вентиляционного воздуха и канал в виде по меньшей мере одного сектора кольца питания турбины. В частности, кольцо вентилятора и турбина образуют ротор на конце центрального вала, установленного в обтекателе указанного картера.

Предпочтительно также, чтобы отбор газа производился либо с компрессора, либо между силовой турбиной и турбиной высокого давления, либо между ступенями силовой турбины.

Другие характеристики и преимущества станут понятны из нижеприведенного описания способа реализации, не носящего ограничительного характера, со ссылками на чертежи, на которых:

фиг.1 схематически изображает устройство фильтрации по Вортэксу, установленное на вводе воздуха в газотурбинный двигатель,

фиг.2 изображает элемент фильтрации устройства, показанного на фиг.1,

фиг.3 - разрез вдоль оси устройства, изготовленного согласно изобретению,

фиг.4 - вид по сечению А-А, показанному на фиг.3.

На схеме, представленной на фиг.1, показан пример газотурбинного двигателя с расположенными в последовательном порядке вдоль его главной оси ХХ секцией 2 сжатия воздуха, поступающего по впускному каналу 6, камерой 6 сгорания и секцией 4 турбины. Двигатель может быть моно- или мультикорпусным, с корпусом низкого давления и корпусом высокого давления. Секция сжатия может содержать одну или несколько осевых ступеней и/или одну или несколько центробежных ступеней. Точно так же секция турбины может включать в себя одну или несколько ступеней, установленных в одну линию и связанных посредством центрального вала с соответствующей ступенью сжатия. Секция турбины может включать в себя свободную турбину, связанную с валом отбора мощности.

Фильтр 8, называемый песочным, установлен поперек впускного канала 6, по которому проходит воздух. Фильтр может иметь в зависимости от формы входного канала параллелепипедную или кольцеобразную форму.

Фильтр 8 содержит отстоящие друг от друга стенки 8А и 8В. Воздух входит через отверстия, предусмотренные во входной стенке 8А, и выходит, очищенный от частиц, которые он, возможно, содержит, через отверстия в выходной стенке 8В. Термины «входная» и «выходная» соответствуют направлению движения воздуха через двигатель.

Для проведения этой очистки фильтрующие элементы 80 располагаются между двух стенок и выходят в отверстия стенок 8А и 8В. На фиг.2 показан принцип работы этих элементов. Элемент 80 содержит трубу 81, открытую в сторону отверстия в стенке 8А. Он снабжен лопастями 82, способными придавать турбулентное движение воздуху, входящему через отверстие 8А1 стенки 8А. Со стороны стенки 8B труба 81 имеет отверстие, в данном случае кольцевое, с трубой в форме усеченного конуса 83. Последняя выходит в отверстие, выполненное во входной стенке 8B. При работе устройства воздух, при пересечении стенки 8A, приводится на переднем участке трубы 81 в турбулентное движение. Частицы, которые, возможно, содержат воздух, центрифугируются вдоль внутренней поверхности стенки трубы 81 и уносятся вместе с потоком S2 в пространство между трубами 81 и стенками 8A и 8B. В центре трубы 81 незагрязненный поток воздуха S1 проникает в трубу 83 и удаляется через стенки 8B. Он пропускается в канал 6 с тем, чтобы затем направиться в секцию сжатия.

Для обеспечения вентиляции и удаления загрязненного воздуха в окружающую среду вентилятор 10 засасывает воздух из внутренней полости фильтра 8 и его выбрасывает в окружающую среду.

Вентиляционный модуль 10, согласно изобретению, показан в осевом сечении на фиг.3.

Он включает в себя колесо вентилятора 20, установленное с возможностью вращения в картере 30. Колесо содержит ступицу 21, продолжающуюся с одной стороны центральным валом 22. На ступице 21 радиально закреплены лопасти вентилятора 23, приспособленные для их пересечения воздухом, следующим параллельно оси центрального вала 22. На периферии этого колеса, образованного лопастями 23 вентилятора, расположены, радиально по отношению к осевому потоку, лопасти турбины 24. Кольцо 25 отделяет поток вентиляционного воздуха от газового потока, пересекающего лопасти турбины в осевом направлении. Колесо может быть выполнено, что является преимуществом рассматриваемого изобретения, моноблочным за счет обработки целиком всей конструкции.

Центральный вал 22 установлен консольно, с возможностью вращения, внутри обтекателя 31 картера 30. Картер содержит первую цилиндрическую оболочку 33, ограничивающую первый кольцевой канал, для прохождения осевого потока воздуха F1, с обтекателем 31. Направляющие лопасти 34 соединяют в радиальном направлении поверхность обтекателя 31 с оболочкой 33. Канал для прохождения потока F1 имеет отверстие, соответствующее отверстию канала, в котором вращаются лопасти 23 вентилятора. Оболочка продолжается, в направлении выхода воздуха из устройства, кольцом отделения потока 25.

Картер ограничивает собой, наружно по отношению к оболочке 33, второй канал, который концентрично расположен по отношению к первому каналу, с двумя элементами стенок 35 и 36. Стенка 35 образует видный на осевом разрезе изгиб с радиальным входом, который по касательной соединяется с цилиндрической стенкой. Стенка 36, отстоящая в радиальном направлении от стенки 35, также образует изгиб с радиальным входом, который по касательной соединяется с цилиндрической стенкой 37, имеющей радиус, превышающий радиус цилиндрической стенки 33. Этот второй канал имеет, таким образом, радиальный вход и осевой выход. Второй канал для газового потока F2 имеет форму сектора кольца или же кольцевую форму. Цилиндрическая стенка образует уплотнительное кольцо, окружающее ротор 1. Более конкретно, он образует уплотнительное кольцо для лопастей турбины 24, с вершиной которых он устанавливает минимальный зазор. Направляющие лопасти 38 образуют инжекторы газа, направленные в сторону лопастей турбины 24. Турбина предпочтительно относится к типу активных с расширением газа в инжекторах 38. Таким образом, удается избежать проблем герметичного разделения потоков F1 и F2, проходящих по ротору вентилятора 20. На фиг.4 показана в разрезе по A-A, представленном на фиг.3, форма лопастей турбины 24, а также форма направляющих лопастей 38, образующих инжекторы.

Передние фланцы 33A позволяют провести установку устройства на трубопроводе, идущем от песочного фильтра. Фланцы 35A и 36A позволяют проводить установку устройства на трубопроводе, идущем к месту отбора с двигателя, а фланцы 37A позволяют подключиться к выпускному трубопроводу.

При работе двигателя в вентиляционное устройство 10 поступают газы F2, отбираемые с двигателя, которые направляются по второму каналу к лопастям турбины 24, которую они приводят в движение, и приводят во вращение крыльчатку. Вентиляционные лопасти 23 засасывают, в результате своего вращения, воздух F1 из внутренней части фильтра 8. Оба потока F1 и F2 объединяются за колесом 20 и выбрасываются в окружающую среду.

В заключение можно отметить, что устройство согласно изобретению позволяет по своей конструкции удобно разместить демонтируемое колесо, упростив, таким образом, проведение операций технического обслуживания, позволяет создать машину с небольшим числом деталей. Замена ротора 21 может быть, например, легко выполнена через заднюю часть.

Использование активной турбины позволяет, в свою очередь, произвести упрощение направляющего устройства за счет допущения частичной инжекции, при этом горловина этого устройства может быть выполнена простым просверливанием; она позволяет также ограничить, за счет низкого перепада давления, влияние на колесо утечек.

Преимуществом рассматриваемого изобретения является то, что отборы газа могут быть выполнены:

- либо между одной или несколькими турбинами высокого давления и одной или несколькими силовыми турбинами,

- либо между ступенями силовой турбины (в случае многоступенчатой турбины),

- либо на различных ступенях на уровне компрессора.

1. Устройство фильтрации воздуха на входе в двигатель внутреннего сгорания, содержащее по меньшей мере один фильтрующий элемент с входом для подлежащего обработке воздуха, первый выход очищенного воздуха в направлении двигателя и второй выход воздуха в окружающую среду, средство вентиляции, обеспечивающее вытяжку воздуха, начиная со второго выхода воздуха, отличающееся тем, что:
- средство вентиляции содержит колесо вентилятора, установленное с возможностью вращения в картере и приводимое во вращение турбиной, приводимой в движение газовым потоком, отбираемым с двигателя, причем турбина и колесо вентилятора располагаются концентрично относительно друг друга;
- картер содержит цилиндрическую оболочку, первую стенку, которая образует изгиб с радиальным входом, который соединяется с цилиндрической оболочкой, и вторую стенку, которая образует изгиб с радиальным входом, который соединяется с цилиндрической стенкой, имеющей радиус, превышающий радиус указанной цилиндрической оболочки;
- круговая внутренняя поверхность указанной цилиндрической оболочки образует первый кольцевой канал осевого воздушного потока, а круговая наружная поверхность указанной цилиндрической оболочки и первая и вторая стенки образуют второй канал для второго воздушного потока, причем второй кольцевой канал имеет радиальный вход и осевой выход
- первый воздушный поток засасывает воздух из внутренней части фильтра, а второй воздушный поток является потоком газа, отбираемого от двигателя для приведения в движение колеса вентилятора турбиной.

2. Устройство по п. 1, лопасти которого, образующие турбину (24), располагаются радиально снаружи кольца (25), соединяющего наружные концы лопастей (23) вентилятора.

3. Устройство по п. 2, турбина (24) которого относится к типу активных.

4. Устройство по п. 1, в котором колесо вентилятора (23) и турбина (24) образуют ротор (20), установленный в картере (30), в котором предусмотрены первый центральный канал для прохождения вентиляционного воздуха и второй канал, имеющий форму по меньшей мере одного сектора кольца питания турбины.

5. Устройство по п. 4, в котором колесо вентилятора и турбина образуют ротор на конце центрального вала (22), установленного внутри обтекателя (31) указанного картера.

6. Устройство по п. 1, двигатель которого представляет собой газотурбинный двигатель, а отбор газа производится либо с компрессора, либо между силовой турбиной и турбиной высокого давления, либо между ступенями силовой турбины.