УЛАВЛИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1997 года по МПК B01D45/00 

Изобретение относится к устройствам для отделения дисперсных частиц от газов и паров и предназначено для защиты турбокомпрессоров от попадания в них дисперсных частиц (продуктов износа двигателей) с подводимыми выхлопными газами.

Известно также улавливающее устройство, содержащее газонаправляющий корпус и фильтрующие элементы, размещенные внутри него, с зазором между поверхностями ориентированными вдоль продольной оси корпуса, со смещением фильтрующих элементов относительно друг друга (пат. СССР N 1834684, кл. B 01 D 45/00, 1991).

Недостаток этого технического решения недостаточная прочность ловушки, особенно при ударах по ее центральной части так как элементы центральной (наиболее опасной по условию попадания частиц) части ловушки "работают" изолировано от ее остальных элементов.

Кроме того, аэродинамическое сопротивление устройства остается достаточно высоким и существенно повышается при "улавливании" крупной частицы, что вынуждает отключать двигатель (во избежание аварии) для извлечения частицы.

Кроме того, известное устройство имеет существенную конструктивную сложность (включает в себя, кроме газонаправляющего корпуса и фильтрующих элементов еще и детали, обеспечивающие фиксацию элементов в пространстве и их скрепление с газонаправляющим корпусом, при этом форма фильтрующих элементов
кольцо очень нетехнологична) и вследствие этого сложно в изготовлении и сборке.

Задача, решаемая заявленным изобретением, выражается в повышении работоспособности улавливающего устройства, снижении его аэродинамического сопротивления.

Технический результат являющийся следствием решения поставленной задачи выражается в снижении от 1,3 до 8 раз загроможденности поперечного сечения улавливающего устройства фильтрующими элементами. При этом вся лицевая часть улавливающего элемента размещена в одной плоскости, а потому "работает" как единое целое при восприятии ударов крупных частиц, действие которых воспринимается сразу несколькими соседними фильтрующими элементами и, дополнительно, ослабляется за счет общего наклона этой плоскости, способствующего появлению "рикошетирующего эффекта при ударах частиц". Кроме того, обеспечивается возможность безаварийной работы двигателя после "улавливания" дисперсной частицы значительных (порядка 3-5 величин фильтрующего зазора) габаритных размеров. Очень существенным является и обеспечение возможности размещения улавливающего устройства на криволинейных участках трубопровода.

Поставленная задача решается тем, что улавливающее устройство, содержащее газонаполняющий корпус и фильтрующие элементы, размещенные внутри него, с зазором между поверхностями, ориентированными вдоль продольной оси корпуса, со смещением фильтрующих элементов относительно друг друга, отличается тем, что фильтрующие элементы выполнены в виде пластин, кромки которых, обращенные к приемному отверстию газонаправляющего корпуса, скошены в одном направлении, составляющем острый угол с вектором силы тяжести, опущенным от ребра каждой кромки, ближайшего к приемному отверстию корпуса, при этом названные ребра кромок фильтрующих элементов перпендикулярны вектору силы тяжести и лежат в одной плоскости, составляющей острый угол с этим вектором.

Кроме того, смещение фильтрующих элементов друг относительно друга принято таким, чтобы сумма площади поперечных сечений фильтрующих элементов, пересекаемой любой секущей поперечной плоскостью, не превышала площади поперечного сечения более длинного из них.

Кроме того, газонаправляющий корпус снабжен приемным карманом со съемной крышкой, размещенными на участке, примыкающем к фильтрующему элементу, дальнему от приемного отверстия корпуса, со стороны этого отверстия, и выполненными в виде ниши в стенке корпуса.

Кроме того, поверхности фильтрующих элементов, составляющие фильтрующий зазор, выполнены криволинейными, с радиусом закругления, соответствующим радиусу изгиба участка поперечного сечения трубопровода, в котором размещен фильтрующий элемент.

Кроме того, концы пластин скреплены непосредственно с внутренними стенками газонаправляющего корпуса.

Кроме того, кромки фильтрующих элементов, обращенные к приемному отверстию газоподводящего канала, параллельны кромкам, обращенным к выпускному отверстию канала.

Кроме того, кромки фильтрующих элементов, обращенные к приемному отверстию газоподводящего канала, размещены в одной плоскости.

Кроме того, ширину пластин принимают переменной из условия обеспечения равномерной прочности улавливающего устройства по всему сечению газонаправляющего канала.

Сравнение признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Признак ".фильтрующие элементы выполнены в виде пластин." обеспечивает упрощение конструкции улавливающего устройства и повышение его технологичности, кроме того, в совокупности с признаком 2 пункта формулы обеспечивает возможность снижения аэродинамического сопротивления устройства.

Признак ".кромки которых, обращенные к приемному отверстию газонаправляющего корпуса, скошены в одном направлении." обеспечивает возможность появления рикошетирующего эффекта при ударе частицы о фильтрующие элементы и, одновременно, повышает плавность обтекания воздушным потоком фильтрующих элементов устройства.

Признак ".составляющий острый угол с вектором силы тяжести, опущенным от ребра каждой кромки, ближайшего к приемному отверстию корпуса, при этом названные ребра кромок фильтрующих элементов перпендикулярны вектору силы тяжести. " задает горизонтальность размещения фильтрующих элементов и тем самым обеспечивает отскок (отвод) рикошетирующей частицы к нижней части газонаправляющего корпуса и возможность ее удаления в приемный карман (в совокупности с признаком п. 3 формулы изобретения).

Признак второго пункта формулы изобретения обеспечивает минимизацию аэродинамического сопротивления устройства, поскольку в каждом поперечном сечении корпуса в худшем случае размещается только один фильтрующий элемент, тогда как в прототипе их два, причем площадь поперечного сечения каждого из фильтрующих элементов существенно меньше.

Признак третьего пункта формулы изобретения обеспечивает возможность удаления уловленной частицы из пропускного сечения газонаправляющего корпуса за счет использования силы тяжести (карман размещен в нижней части, в направлении, соответствующем направлению движения рикошетирующей частицы).

Признак четвертого пункта формулы конкретизирует форму фильтрующих элементов при необходимости размещения устройства на криволинейном участке газонаправлящего корпуса.

Признак пятого пункта исключает необходимость использования промежуточных элементов для взаимной фиксации фильтрующих элементов в пространстве;
Признак шестого пункта формулы изобретения описывает оптимальную форму поперечного сечения пластины (фильтрующего элемента);
Признак седьмого пункта формулы изобретения конкретизирует параметры улавливающего устройства, наиболее эффективные для обеспечения рикошетирующего эффекта;
Признак восьмого пункта формулы обеспечивает одинаковую прочность улавливающего элемента по всей площади канала, при обеспечении минимальной длины устройства и материалоемкости.

На фиг. 1 показан продольный разрез устройства, при прямолинейной продольной оси газонаправляющего корпуса; на фиг. 2 поперечный разрез А-А; на фиг. 3 продольный разрез устройства, при криволинейной продольной оси газонаправляющего корпуса.

На фиг. 1-3 показаны фильтрующие элементы 1, газонаправляющий корпус 2, соединительные фланцы 3 и 4, передняя 5 и задняя 6 кромки фильтрующего элемента 1, уплотнение 7, усиливающая стяжка 8, карман 9 со съемной крышкой 10. Кроме того, на фиг. показано направление действия вектора силы тяжести 11 и направления движения газового потока 12.

Фильтрующие элементы 1 выполнены из термостойкого материала, например стали, в виде прямоугольных в плане пластин. При этом в зависимости от кривизны продольной оси газонаправляющего корпуса в месте установки фильтрующих элементов поперечное сечение пластин имеет вид либо трапеции или параллелограмма (при прямолинейной продольной оси корпуса 2), либо дугообразным (когда продольная ось 2 криволинейна, например, когда улавливающее устройство монтируют в коленах газохода). При этом выпуклую сторону пластины 1 располагают со стороны выгиба корпуса 2, а вогнутую со стороны вогнутой части корпуса 2, причем, радиусы кривизны этих сторон пластин 1 должны соответствовать радиусу кривизны продольного "волокна" сечения газонаправляющего корпуса 2, которому принадлежит такая поверхность.

В качестве газонаправляющего корпуса 2 используют или корпус специального проставка, снабженного соединительными фланцами, или один из трубчатых элементов, составляющих корпус компенсатора (элемента выполненного в виде телескопической конструкции из двух трубчатых кожухов, один из которых связан с выпускным отверстием двигателя, а другой с приемным отверстием турбокомпрессора). На чертежах турбокомпрессор, двигатель и компенсатор не показаны. Газонаправляющий корпус 2 своими фланцами 3 и 4 связан соответственно с выпускным отверстием двигателя и приемным отверстием турбокомпрессора.

Фильтрующие элементы 1 закреплены внутри корпуса 2 со смещением друг относительно друга, причем это смещение задано таким образом, чтобы любое поперечное сечение газонаправляющего корпуса пересекало не более одного фильтрующего элемента (это возможно, если нахлест проекции одного фильтрующего элемента на другой не превышает протяженности кромок 5 и 6 пластины 1, или вообще не имеет места, т.е. когда имеются сечения, в которых вообще нет ни одного фильтрующего элемента). Передняя, т.е. обращенная к приемному отверстию корпуса 2, кромка 5 фильтрующего элемента 1 скошена и составляет острый угол с направлением вектора силы тяжести 11. Целесообразно, чтобы и задняя кромка 6 фильтрующего элемента 1 составляла острый угол с вектором 11, предпочтительно, такой же как и кромка 5, что уменьшает аэродинамическое сопротивление улавливающего устройства.

Количество фильтрующих элементов 1 (пластин), их толщину и ширину, а также осевые (α) и радиальные (β) зазоры выбирают в каждом конкретном случае, исходя из минимального размера частиц или тел, улавливание которых должно обеспечить устройство, а также исходя из условия прочности конструкции при попадании в нее возможных наиболее крупных тел или частиц. Кроме того, толщины и ширины пластин 1 могут различаться в одной конструкции, например, в месте наиболее вероятного попадания крупных частиц могут быть усилены за счет увеличения толщины и (или) ширины. При установке относительно узких и тонких пластин в газонаправляющем корпусе 2 большого поперечного сечения для увеличения жесткости конструкции целесообразно использовать усиливающие стяжки 8, которые при размещении со стороны задних кромок 6 фильтрующих элементов обеспечивают дополнительно еще и предохранение турбокомпрессора от попадания в него отдельных фильтрующих элементов, если таковые будут оторваны при ударе очень массивной частицы.

Газонаправляющий корпус 2 снабжен приемным карманом (нишей) 9, выполненным в виде кожуха, один конец которого связан с газонаправляющим корпусом 2 и открыт в него, а другой снабжен съемной крышкой 10. Карман 9 располагают у фильтрующего элемента самого дальнего от приемного отверстия корпуса 2, у того участка его стенки, к которому направлен вектор силы тяжести 11 (при горизонтальном расположении продольной оси корпуса 2 это его нижняя часть, как показано на фиг. 1).

При вертикальном расположении продольной оси газонаправляющего корпуса 2 важно только, чтобы приемный карман 9 был размещен у фильтрующего элемента 1, наиболее удаленного от приемного отверстия корпуса.

Профиль поперечного сечения фильтрующего элемента 1 в зависимости от кривизны продольной оси участка газонаправляющего корпуса 2, на котором закрепляются фильтрующие элементы, может быть выполнен в виде параллелограмма (предпочтительно) или трапеции (когда продольная ось корпуса 2 прямолинейна), либо дугообразной формы (когда продольная ось корпуса криволинейна, т. е. улавливающее устройство смонтировано в колене трубопровода). При этом выпуклую сторону пластины фильтрующего элемента размещают со стороны корпуса, имеющей больший радиус кривизны, а вогнутую меньшей.

Для снижения аэродинамического сопротивления улавливающего устройства целесообразно, чтобы радиусы кривизны поверхностей пластин соответствовали радиусам кривизны "продольных волокон" сечения газонаправляющего корпуса, к которым принадлежат названные поверхности.

Заявленное устройство работает следующим образом. Газовый поток 12 поступает в газонаправляющий корпус 2, проходит через "решетку", образованную фильтрующими элементами 1, и уходит в турбокомпрессор (при этом "заостренность" передней кромки 5 фильтрующих элементов 1 способствует их плавному обтеканию газовым потоком). Инородные частицы, увлекаемые газом, ударяясь о переднюю кромку 5, рикошетируют и отскакивают в приемный карман 9, где накапливаются. При этом, поскольку уловленные частицы не загромождают поперечное сечение газонаправляющего корпуса 2, его аэродинамическое сопротивление на участке установки элементов 1 не увеличивается.

При попадании на "решетку" крупной частицы, ее удар воспринимается сразу несколькими фильтрующими элементами 1, рабочие кромки 5 которых, размещенные в одной плоскости, "работают" как одна рикошетирующая поверхность.

При "работе" на криволинейном участке фильтрующие элементы 1 дополнительно выполняют спрямляющую функцию, обеспечивая частичное выравнивание эпюры скоростей на повороте, и тем самым способствуют снижению аэродинамического сопротивления поворота.

По мере накопления уловленных частиц в приемном кармане 9 аэродинамическое сопротивление газонаправляющего корпуса 2 не изменяется (пока их не наберется для частичного перекрытия его сечения или не будет уловлена крупногабаритная частица, не помещающаяся в кармане 9).

Возрастание аэродинамического сопротивления улавливающего устройства (вызываемое переполнением кармана 9 и соответственно уменьшением проходного сечения) приводит к возрастанию температуры газового потока на входе в турбокомпрессор.

Контролируя этот параметр, устанавливают необходимость очистки кармана 9, что и производят при выключенном двигателе. На эту операцию требуется несколько минут для снятия крышки 10, удаления уловленных частиц из кармана 9 и обратной установки крышки 10 на место.

Изобретение относится к устройствам для отделения дисперсных частиц от газов и паров. Устройство содержит фильтрующие элементы, выполненные в виде пластин и размещенные внутри газонаправляющего корпуса со смещением их передних кромок друг относительно друга. Передние кромки заострены, при этом передние кромки всех фильтрующих элементов лежат в одной плоскости. Кроме того газонаправляющий корпус снабжен приемным карманом со съемной крышкой, предназначенным для аккумулирования уловленных инородных частиц. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Улавливающее устройство, содержащее газонаправляющий корпус и фильтрующие элементы, размещенные внутри него, с зазором между поверхностями, ориентированными вдоль продольной оси корпуса, со смещением фильтрующих элементов относительно друг друга, отличающееся тем, что фильтрующие элементы выполнены в виде пластин, кромки которых, обращенные к приемному отверстию газонаправляющего корпуса, скошены в одном направлении, составляющем острый угол с вектором силы тяжести, опущенным от ребра каждой кромки, ближайшего к приемному отверстию корпуса, при этом ребра кромок фильтрующих элементов перпендикулярны вектору силы тяжести и лежат в одной плоскости, составляющей острый угол с этим вектором. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что смещают фильтрующие элементы друг относительно друга таким образом, чтобы сумма площади поперечных сечений фильтрующих элементов пересекаемых любой секущей поперечной плоскостью не превышала площади поперечного сечения более длинного из них. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что газонаправляющий корпус снабжен приемным карманом со съемной крышкой, размещенным на участке, примыкающем к фильтрующему элементу, дальнему от приемного отверстия корпуса, со стороны этого отверстия и выполненным в виде ниши в стенке корпуса. 4. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что поверхности фильтрующих элементов, составляющие фильтрующий зазор, выполнены криволинейными, с радиусом закругления, соответствующим радиусу изгиба участка поперечного сечения трубопровода, в котором размещен фильтрующий элемент. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что концы пластин скреплены непосредственно с внутренними стенками газонаправляющего корпуса. 6. Устройство по пп. 1, 2 и 4, отличающееся тем, что кромки фильтрующих элементов, обращенные к приемному отверстию газоподводящего канала, параллельны кромкам, обращенным к выпускному отверстию канала. 7. Устройство по пп. 1, 2 и 4 6, отличающееся тем, что кромки фильтрующих элементов, обращенные к приемному отверстию газоподводящего канала, размещены в одной плоскости. 8. Устройство по пп. 1, 2 и 4 7, отличающееся тем, что ширину пластины принимают переменной из условия обеспечения равномерной прочности улавливающего устройства по всему сечению газонаправляющего канала.