КОМБИНИРОВАННОЕ УСТРОЙСТВО ТЕПЛООБМЕННИКА И ФИЛЬТРА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2004 года по МПК B01D35/18 F02C7/14 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к компактному комбинированному устройству теплообменника и сдвоенного фильтра текучей среды, которое может быть использовано в газотурбинном двигателе для одновременной фильтрации смазочного масла и топлива с передачей при этом тепловой энергии между маслом и топливом.

Уровень техники

Хотя в настоящем описании в качестве примера использован газотурбинный двигатель, будет ясно, что настоящее изобретение и предшествующий уровень техники охватывают любое приложение, в котором теплообменник объединен с фильтрами текучей среды в компактный узел.

Во многих двигателях, таких как двигатели внутреннего сгорания и, как в данном примере, газотурбинные двигатели, углеводородное топливо перекачивают с помощью топливного насоса из топливного бака в двигатель по топливной магистрали. Для удаления посторонних частиц и других примесей топливный фильтр обычно размещают в доступном месте топливной магистрали, так же как в некоторых случаях воздушный сепаратор. Топливный фильтр обычно представляет собой цилиндр из гофрированного материала, размещенный в двигателе в легкодоступном месте для замены в процессе текущего технического обслуживания.

Аналогичным образом масляный фильтр в общем случае представляет собой цилиндр из гофрированного материала, размещенный в удобно доступном месте в маслораспределительной системе. Смазочное масло циркулирует между подшипниками и масляным резервуаром через масляный насос, также размещенный в легкодоступном месте для текущего технического обслуживания.

В случае газотурбинного двигателя относительно холодное поступающее топливо из топливного бака часто используют для охлаждения относительно горячего масла, отведенного от подшипников, за счет применения топливно/масляного теплообменника. Топливо нагревается маслом, и тем самым снижается риск его замерзания в топливном контуре. В газотурбинном двигателе теплообменник также расположен в удобном для доступа и проверки месте вблизи топливной и масляной магистралей.

Ясно, однако, что такое сочетание отдельных теплообменника, масляного фильтра и топливного фильтра требует для соединения их между собой многочисленных топливных и масляных трубопроводов, подверженных повреждениям и утечкам. Затраты на монтаж и обслуживание отдельных компонентов и соединяющих их трубопроводов до недавнего времени считались неотъемлемым свойством, в особенности сложных конструкций двигателей летательных аппаратов. Однако даже обычные автомобильные двигатели массового изготовления содержат отдельные масляные и топливные фильтры с соответствующими трубопроводами.

Для решения вышеописанных проблем в DE 3825176 А1 (ближайший аналог изобретения) было предложено комбинированное устройство теплообменника и фильтра текучей среды, содержащее корпус с наружной оболочкой и расположенной внутри нее непроницаемой теплообменной стенкой, разделяющей корпус на концентрические камеры фильтрации первой и второй текучих сред. В каждой из камер установлен фильтрующий материал, а в корпусе выполнены входы первой и второй текучих сред и выходы первой и второй текучих сред, сообщающиеся соответственно с камерами фильтрации первой и второй текучих сред. Однако и в этом решении остаются актуальными задачи унификации подобных комбинированных устройств для разных объектов техники с различными требованиями по пропускной способности фильтров и степени теплообмена, а также повышения надежности, производственной и эксплуатационной технологичности.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является уменьшение числа компонентов двигателя, в особенности компонентов, относящихся к масляным фильтрам, топливным фильтрам и теплообменникам, с целью упрощения конструкции двигателя и уменьшения стоимости изготовления, сборки и текущего обслуживания.

Другой задачей изобретения является объединение теплообменника, по крайней мере, одного фильтра текучей среды и нескольких связывающих трубопроводов текучей среды в прочное комбинированное устройство, чтобы уменьшить риск возникновения утечек в двигателе.

Еще одной задачей изобретения является создание комбинированного устройства с объединенными теплообменником и фильтром текучей среды, которое может быть легко выполнено в виде простых модулей с возможностью использования в различных разновидностях двигателей.

Еще одной задачей изобретения является замена известных теплообменников из пакетов пластин на недорогие в изготовлении штампованные теплообменники. Дальнейшие задачи изобретения будут ясны из рассмотрения сущности изобретения и описания изобретения, приведенных ниже.

Изобретение относится к комбинированному устройству теплообменника и фильтра текучей среды, в частности для одновременной фильтрации смазочного масла и топлива с передачей тепловой энергии между маслом и топливом в газотурбинном двигателе. Обычно масляные и топливные фильтры, так же как теплообменник, монтируют в двигателе раздельно с многочисленными трубопроводами для передачи текучих сред между ними. В изобретении эти компоненты объединены вместе, в результате чего достигают нескольких преимуществ, среди которых: уменьшение числа составных частей и стоимости изготовления и монтажа; снижение риска физического повреждения или утечки; улучшенный доступ для монтажа, проверки и технического обслуживания; возможность использования модульных стандартных компонентов, которые могут быть приспособлены для нескольких различных двигателей простым увеличением длины фильтров/теплообменника в стандартном коллекторе.

Комбинированное устройство фильтра и теплообменника имеет корпус с наружной оболочкой и расположенной внутри нее непроницаемой теплообменной стенкой, разделяющей корпус на концентрические камеры фильтрации первой и второй текучих сред, в каждой из которых установлен фильтрующий материал, при этом в корпусе выполнены входы первой и второй текучих сред и выходы первой и второй текучих сред, сообщающиеся соответственно с указанными камерами фильтрации первой и второй текучих сред.

Отличие предложенного устройства от вышеуказанного ближайшего аналога состоит в том, что вышеуказанные входы и выходы выполнены в едином коллекторе корпуса, а наружная оболочка и теплообменная стенка корпуса выполнены чашеобразными и установлены своими открытыми торцами посредством уплотнения на коллекторе с возможностью разъема. Для улучшения теплопередачи между текучими средами входы и выходы могут быть выполнены в коллекторе в виде направляющих противоположно направленных потоков упомянутых текучих сред с возможностью их контакта с обеими противоположно расположенными сторонами теплообменной стенки, и фильтрующий материал может быть расположен так, чтобы направлять потоки текучих сред перпендикулярно (нормально) к теплообменной стенке.

Таким путем текучие среды направляют и удерживают в контакте с теплообменной стенкой в течение относительно длительного периода прохождения текучих сред через устройство. В предпочтительном варианте размещения используют стандартные цилиндрические топливные и масляные фильтры, соответственно вложенные вовнутрь и расположенные снаружи чашеобразной (т.е. цилиндрической и снабженной крышкой) теплообменной стенки. Теплообменник может представлять собой штампованную алюминиевую трубку с продольными ребрами теплопередачи на внутренней и наружной поверхностях, которая может быть недорога в изготовлении по сравнению с обычно используемыми трудоемкими теплообменниками из пакета пластин.

Протяженность трубопроводов уменьшается так же, как сокращается общее использование в двигателе трубопроводов, находящихся под давлением. В результате уменьшается риск повреждения, воспламенения, утечки, подверженности негативным факторам и обледенения. Объединение в единый корпус ведет к большей прочности конструкции и облегчению доступа при техническом обслуживании и проверке. Концентрическое размещение топливного фильтра внутри теплообменника и теплообменника внутри масляного фильтра существенно уменьшает расчетное давление, которое должен выдерживать корпус топливного фильтра и теплообменника.

Оболочки топливного фильтра и теплообменника не имеют наружных корпусных поверхностей, находящихся под давлением, в отличие от известных отдельных компонентов. Известные корпуса фильтров и теплообменников снаружи подвергаются воздействию атмосферного давления и для гарантии безопасности должны выдерживать внутреннее давление, в семь раз превышающее рабочее давление. За счет объединения топливного фильтра, масляного фильтра и теплообменника в едином корпусе давление в сети, воздействующее на вложенные друг в друга компоненты, существенно снижается.

Использование простого цилиндрического теплообменника с внутренними и наружными ребрами значительно уменьшает стоимость теплообменника, так как очень низка трудоемкость изготовления. Можно использовать, например, штампованный алюминиевый цилиндр. Известные теплообменники из пакета пластин требуют при изготовлении использования технологии спайки твердым припоем множества пластин, что сопровождается большими трудозатратами.

Дальнейшие детали изобретения и его преимущества будут ясны из подробного описания изобретения и чертежей, представленных ниже.

Перечень фигур чертежей и иных материалов

Для лучшего понимания изобретения в качестве примера будет описан один предпочтительный вариант выполнения изобретения со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых

На фигуре 1 представлен поперечный разрез комбинированного устройства с теплообменником с расположенным снаружи масляным фильтром и расположенным внутри топливным фильтром, закрепленными в общей оболочке корпуса и вставленными вместе с уплотнениями в топливно/масляный коллектор.

На фигуре 2 представлено поперечное сечение по линии 2 - 2, показанной на фигуре 1, на котором видно концентрическое размещение внутреннего топливного фильтра, центрально расположенного теплообменника с ребрами теплопередачи на внутренней и наружной поверхностях и охватывающего их масляного фильтра, причем все они заключены в одну наружную оболочку корпуса.

На фигуре 3 представлен поперечный разрез, аналогичный представленному на фигуре 1, с изображением предпочтительных относительных направлений потоков масла и топлива через фильтры и параллельно поверхности теплообменника при работе.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фигурах 1 и 3 показан объединенный фильтр/теплообменник с двумя фильтрами текучих сред (жидкостей), циркулирующих вдоль противоположных сторон теплообменника. Будет ясно, что изобретение также включает объединенный фильтр/теплообменник с одним фильтром текучей среды.

Обратившись к фигуре 1, можно видеть, что комбинированное устройство теплообменника и фильтра текучей среды содержит наружный закрытый корпус 1, в представленном выполнении изобретения содержащий съемную наружную чашеобразную оболочку (чашку) 2, скрепленную с помощью болтовых шпилек 3 с узлом коллектора 4. Днище (верхняя поверхность) чашки 2, расположенное с ее верхнего торца, является крышкой для теплообменной стенки 19, а с противоположного (открытого) торца концы чашки 2 установлены с уплотнением на коллекторе 4 посредством замкнутого кольца 5 с возможностью разъема. Теплообменник 6, также имеющий в представленном выполнении изобретения цилиндрическую форму, содержит дополнительную крышку 7 (расположена вверху теплообменника) и разъемное герметичное соединение у своего нижнего торца с коллектором 4 с помощью замкнутого кольца 8.

В представленном выполнении изобретения цилиндрический масляный фильтр 9 расположен снаружи цилиндрического теплообменника 6, и цилиндрический топливный фильтр 10 расположен внутри теплообменника 6. Опорное кольцевое средство 11 герметизировано относительно коллектора 4 с помощью замкнутого кольца 12 и служит опорой для масляного фильтра 9 и направляет масло через корпус 1 так, как будет подробно описано ниже.

Аналогичным образом центральный элемент 13 служит опорой для топливного фильтра 10 и закреплено в коллекторе 4 таким образом, что направляет поток топлива через фильтр 10 и в корпус 1 так, как будет описано ниже. Центральный элемент 13 содержит проскальзывающий в продольном направлении клапан 14, удерживаемый в закрытом положении пружиной 15, так чтобы перекрывать отверстия 16, как показано на чертеже. В случае засорения топливного фильтра 10 образуемое топливным насосом разрежение создаст разность давления, достаточную для того, чтобы преодолеть силу пружины 15 и сместить вниз клапан 14, открыв отверстия 16 и тем самым создав возможность потоку топлива обходить засоренный фильтр 10.

Закрытый корпус 1 разделен цилиндрической теплообменной стенкой 19, закрытой с одного из своих торцов крышкой 7 и имеющей разъемное герметичное соединение с коллектором 4 у своего противоположного торца, на камеру фильтрации первой текучей среды - заполненную маслом камеру 17, и камеру фильтрации второй текучей среды - заполненную топливом камеру 18. Стенка 19 и крышка 7 служат для передачи тепловой энергии между маслом и топливом при их циркуляции через камеры 17 и 18 соответственно. Коллектор 4 корпуса 1 содержит вход первой текучей среды - кольцевой входной канал 20 масла, сообщающийся с заполненной маслом камерой 17 через отверстия 21 в опорном кольце 11.

Как показано на фигуре 3, поток масла направлен вверх через отверстия 21, проходит в радиальном направлении через масляный фильтр 9 и затем направляется вниз вдоль наружной поверхности теплообменной стенки 19 в выход первой текучей среды - выходной канал 22 масла. Как показано на фигуре 2, стенка 19 теплообменника имеет продольные ребра 23 теплопередачи на своей наружной поверхности и ребра 24 теплопередачи на внутренней поверхности. В представленном варианте выполнения внутренние ребра 24, контактирующие с неотфильтрованным топливом, имеют ширину большую, чем ширина наружных ребер 23, контактирующих с отфильтрованным маслом по наружной поверхности, что снижает риск забивания ребер посторонними частицами. Как показано, крышка 7 теплообменника 6 не имеет никаких ребер теплопередачи, однако, как будет понятно, поверхность крышки 7 в некоторой степени способствует теплопередаче и может быть при желании снабжена ребрами.

Из рассмотрения фигур 1 и 3 можно видеть, что масло и топливо проходят в противоположных направлениях в контакте с противоположными сторонами теплообменной стенки 6 и ребрами 23 и 24, что обеспечивается выбором и размещением входов и выходов топлива и масла. Рассматривая процесс циркуляции топлива в заполненной топливом камере 18, можно отметить, что коллектор 4 корпуса 1 содержит вход второй текучей среды - кольцевой входной канал 25 топлива, по которому топливо под давлением направляется вверх между внутренними ребрами 24 теплообменника 6. Затем топливо проходит в радиальном направлении через топливный фильтр 10 и собирается в центральном элементе 13 с последующим выводом через выход второй текучей среды - выходной канал 26 топлива.

Для рационального изготовления, упрощения конструкции фильтра и конструкции теплообменника предпочтительно, чтобы теплообменная стенка 19 и внутренняя заполненная топливом камера 18 имели цилиндрическую форму, а наружная заполненная маслом камера 17 располагалась снаружи по кольцу и была коаксиальна с ними. Такое размещение имеет преимущество, заключающееся в том, что масляный фильтр 9 и топливный фильтр 10 направляют поток текучей среды перпендикулярно к теплообменной стенке 19. Поперечный или радиальный поток масла и топлива стремится вызвать циркуляцию потоков в камерах 17, 18 и способствуют возникновению турбулентности, что усиливает обмен тепловой энергией.

Как можно хорошо видеть на фигуре 3, циркуляция топлива и масла в концентрических топливном фильтре 10, теплообменнике 6 и масляном фильтре 9 имеет преимущество, создаваемое компактностью конструкции и ее модульным исполнением. Коллектор 4 может быть разработан, как стандартная часть для использования в нескольких различных двигателях. Для увеличения производительности фильтрации и теплообмена разработчик просто увеличивает в продольном направлении длину фильтров 9 и 10 и теплообменника 6, а также длину защитной чашки 2. Площадь поверхности этих компонентов возрастает, и возрастает результирующая производительность фильтрации и теплообмена за счет увеличившейся длины без увеличения диаметра объединенных вложенных друг в друга компонентов теплообменника/фильтра. В результате стандартный коллектор 4 может быть использован в нескольких двигателях. Изготовление фильтров 9, 10 и теплообменника 6 также может быть стандартизовано для выбранного диаметра при различных производительностях, достигаемых только за счет изменения длины.

Хотя приведенное выше описание и сопровождающие чертежи относятся к определенному предпочтительному варианту выполнения изобретения, рассматриваемому в данном описании заявителем, будет ясно, что изобретение в широком смысле включает в себя механические и функциональные эквиваленты описанным и проиллюстрированным элементам.

Изобретение может быть использовано в газотурбинном двигателе для одновременной фильтрации смазочного масла и топлива с передачей при этом тепловой энергии между маслом и топливом. Комбинированное устройство теплообменника и фильтра текучей среды содержит корпус с наружной оболочкой и расположенной внутри нее непроницаемой теплообменной стенкой, разделяющей корпус на концентрические камеры фильтрации первой и второй текучих сред. В каждой из камер установлен фильтрующий материал. В корпусе выполнены входы первой и второй текучих сред и выходы первой и второй текучих сред, сообщающиеся соответственно с камерами фильтрации первой и второй текучих сред. Вышеуказанные входы и выходы выполнены в едином коллекторе корпуса. Наружная оболочка и теплообменная стенка корпуса выполнены чашеобразными и установлены своими открытыми торцами посредством уплотнения на коллекторе с возможностью разъема. Фильтрующий материал установлен с возможностью направления потока текучей среды перпендикулярно теплообменной стенке. Она имеет продольные ребра теплопередачи на своих внутренней и наружной поверхностях. Каждое из продольных ребер теплопередачи на внутренней поверхности имеет ширину большую, чем ширина ребер на наружной поверхности. Техническим результатом является уменьшение числа компонентов двигателя с целью упрощения его конструкции и уменьшения стоимости изготовления, сборки и текущего обслуживания. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Комбинированное устройство теплообменника и фильтра текучей среды, содержащее корпус с наружной оболочкой (2) и расположенной внутри нее непроницаемой теплообменной стенкой (19), разделяющей корпус на концентрические камеры (17, 18) фильтрации первой и второй текучих сред, в каждой из которых установлен фильтрующий материал (9, 10), при этом в корпусе выполнены входы (20, 25) первой и второй текучих сред и выходы (22, 26) первой и второй текучих сред, сообщающиеся соответственно с камерами (17, 18) фильтрации первой и второй текучих сред, отличающееся тем, что вышеуказанные входы (20, 25) и выходы (22, 26) выполнены в едином коллекторе (4) корпуса, а наружная оболочка (2) и теплообменная стенка (7) корпуса выполнены чашеобразными и установлены своими открытыми торцами посредством уплотнения на коллекторе (4) с возможностью разъема.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фильтрующий материал (9, 10) установлен с возможностью направления потока текучей среды перпендикулярно теплообменной стенке (19).3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплообменная стенка (19) имеет продольные ребра (23, 24) теплопередачи на своих внутренней и наружной поверхностях.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что каждое из продольных ребер (24) теплопередачи на внутренней поверхности имеет ширину большую, чем ширина ребер (23) на наружной поверхности.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первой текучей средой является топливо, причем камера (17) фильтрации первой текучей среды расположена внутри теплообменной стенки (19).6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что второй текучей средой является масло.