СИСТЕМА ОЧИСТКИ ВОЗДУХА Российский патент 2006 года по МПК B01D45/08 

Изобретение относится к области судостроения, в частности к системам очистки воздуха, подаваемого к двигателям для горения топлива, преимущественно газотурбинным, для которых требования по содержанию воды и соли, например морской, являются наиболее жесткими.

Известна система очистки воздуха (см. GB 2136313, 19.09.1984, В 01 D 45/08), которая включает установленные по ходу воздуха три ступени очистки, из которых первая и третья ступени - жалюзийные сепараторы, а вторая ступень - установленный между ними с возможностью выема фильтр-коагулятор. При этом сепараторы состоят из вертикально установленных зигзагообразных в сечении профилей с влагоулавливающими элементами, а фильтр-коагулятор выполнен в виде полотна из синтетического волокна, установленного в вертикальном каркасе, обеспечивающем зигзагообразность полотна, и расположенном перпендикулярно относительно продольной оси системы. Кроме того, нижняя часть системы снабжена устройством отвода отделенной от воздуха влаги.

Эта система для обеспечения достаточно высокой эффективности очистки воздуха от воды и солей морской воды требует большое количество влагоулавливающих элементов по ходу воздуха, что повышает аэродинамическое сопротивление системы. Повышение аэродинамического сопротивления тракта приема воздуха газотурбинного двигателя, включающего систему очистки воздуха, приводит к снижению его мощности относительно номинальной (ок. 2%/1000 Па), что особенно существенно при увеличении загрязнения фильтра-коагулятора. Кроме того, изготовление таких профилей является достаточно сложным и затратным по материале- и трудоемкости.

Указанное повышение аэродинамического сопротивления системы может быть уменьшено за счет снижения скорости очищаемого воздуха, однако это приводит к увеличению габаритных размеров системы и снижению ее эффективности очистки на пониженных относительно номинальной мощностях работы двигателя из-за уменьшения линейной скорости воздуха ниже диапазона оптимальных скоростей.

Кроме того, при исполнении фильтра-коагулятора в симметричном зигзагообразном виде при наклонном относительно продольной оси системы направлении движения воздуха из выходной части сепаратора первой ступени не обеспечивается равномерное по всей площади полотна использование его толщины, что обусловливает снижение эффективности использования полотна фильтра-коагулятора.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении экономичности за счет устранения недостатков в очистке воздуха, присущих известным системам, снижении материалоемкости и упрощения формы элементов и технологии изготовления фильтров-сепараторов, формы складок фильтра-коагулятора и улучшении согласованности его работы с фильтрами сепараторами первой и третьей ступени очистки.

Для решения поставленной задачи и исключения указанных недостатков в системе очистки воздуха, включающей установленные по ходу воздуха три ступени очистки, из которых первая и третья ступени - жалюзийные сепараторы, а вторая ступень - установленный между ними с возможностью выема фильтр-коагулятор, при этом сепараторы состоят из вертикально ориентированных профилей с влагоулавливающими элементами, а фильтр-коагулятор выполнен в виде коагулирующего полотна, установленного в вертикальном каркасе, обеспечивающем зигзагообразность полотна, средняя условная плоскость которого расположена перпендикулярно относительно продольной оси системы, кроме того, нижняя часть системы снабжена устройством отвода отделенной от воздуха влаги, согласно изобретению профиль сепараторов первой и третьей ступени выполнен разрезным, состоящим из нескольких последовательно установленных в виде разрезной зигзагообразной системы лопаток, каждая из которых в сечении является частью зигзага, содержит влагоулавливающий элемент и установлена так, что каждая последующая лопатка расположена зеркально относительно продольной оси предыдущей, входная часть последующей лопатки смещена относительно выходной части предыдущей навстречу потоку воздуха, при этом входная часть передних лопаток установлена с углом атаки относительно продольной оси системы, а направление выхода воздуха из сепаратора первой ступени соответствует направлению входа в сепаратор третьей ступени.

Кроме того, каждая лопатка может быть выполнена из пластины, имеющей в сечении два односторонних изгиба, при этом угол атаки входной части относительно продольной оси системы составляет 17°±3°, угол между средней частью и продольной осью системы составляет 8°±2°, угол между выходной частью и продольной осью системы составляет 22°±6°, а влагоулавливающий элемент может быть выполнен в виде кармана, обращенного к вогнутой стороне лопатки.

При этом огибающая лопатки может быть выполнена в виде сопряженных по касательной двух дуг окружностей, центры которых расположены на перпендикуляре к касательной, отложенном из точки касания дуг, а радиус дуги R_вх, соответствующий входной части лопатки, может составлять около 25 В_л, выходной R_вых - около 5 В_л, где В_л - эквивалентная поперечная ширина лопатки, равная ширине проекции лопатки на условную вертикальную плоскость, нормальную к средней условной плоскости фильтра коагулятора.

Кроме того, каждый зигзаг фильтра-коагулятора может быть выполнен асимметричным, например, в виде системы двухгранных складок, при этом шаг складок фильтра-коагулятора кратен шагу установки лопаток.

Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в повышении экономичности системы очистки воздуха, преимущественно от воды, за счет разработанной конструкции и взаимного расположения лопаток с влагоулавливающими элементами фильтров-сепараторов конструкции, и формы и шага складки полотна фильтра-коагулятора, что в совокупности повысило технологичность изготовления элементов и сборки трехступенчатого фильтра системы очистки, снизило материало- и трудоемкость изготовления и улучшило степень очистки воздуха на всех режимах работы двигателя при меньших, чем у известных систем, затратах энергии работы двигателя на обеспечение требуемой очистки воздуха в эквивалентных ситуациях.

Одновременно с этим третья ступень системы очистки воздуха работает как система очистки воздуха от солей морской воды, так как соль даже в сухом виде в виде взвеси в силу своей гигроскопичности растворяется во влаге фильтра коагулятора на второй ступени и частично вместе с капельками морской воды попадает на третью ступень очистки, где перехватывается описанным способом.

Приведенные в зависимых пунктах формулы экспериментально выявленные оптимальные интервалы некоторых величин касаются конкретизации формы выполнения элементов изобретения и позволяют получить при любом сочетании признаков в указанных пределах в совокупности с признаками, приведенными в пункте 1 формулы, один и тот же технический результат, обеспечиваемый совокупностью существенных признаков, приведенной в независимом пункте формулы без ограничения объема этой совокупности и в достаточной степени раскрывает выполнение изобретения.

Изобретение поясняется чертежами на которых

на фиг.1 изображен общий вид системы;

на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1;

на фиг.3 - узел А на фиг.1;

на фиг.4 - узел Б на фиг.3;

на фиг.5 - сечение отдельной лопатки;

на фиг.6 - сечение отдельной лопатки в виде сопряженных по касательной двух дуг окружностей.

В состав системы входит рама 1, на которой установлены секции сепараторов первой 2 и третьей 3 ступеней. Между ними установлен с возможностью выема фильтр-коагулятор 4.

Сепараторы 2, 3 жалюзийного типа с профилем, состоящим из последовательно установленных лопаток 5. Каждая лопатка выполнена из пластины, имеющей в сечении два односторонних изгиба, при этом угол атаки входной части относительно продольной оси системы составляет α=17°±3°, угол между средней частью и продольной осью системы составляет β=8°±2°, угол между выходной частью и продольной осью системы составляет γ=22°±6°, влагоулавливающий элемент выполнен в виде кармана 6, обращенного к вогнутой стороне лопатки, а каждая следующая лопатка установлена зеркально относительно продольной оси предыдущей.

При этом огибающая лопатка 5 выполнена в виде сопряженных по касательной двух дуг окружностей, центры которых расположены на перпендикуляре к касательной, отложенном из точки касания дуг, а радиус R_вх дуги, соответствующий входной части лопатки 5, может составлять около 25 В_л, радиус R_вых выходной части лопатки - около 5 В_л, где В_л - эквивалентная поперечная ширина лопатки 5, равная ширине проекции лопатки 5 на условную вертикальную плоскость, нормальную к средней условной плоскости фильтра коагулятора 4.

Фильтр-коагулятор 4 выполнен в виде коагулирующего полотна 7 из синтетического волокна, установленного в вертикальном каркасе 8, обеспечивающем зигзагообразность полотна в поперечном сечении. Каждый зигзаг фильтра-коагулятора выполнен асимметричным, например, в виде системы двухгранных складок, при этом шаг складок фильтра-коагулятора кратен шагу установки лопаток.

Кроме того, нижняя часть снабжена устройством 9 отвода отделенной от воздуха влаги с патрубками 10. Для обеспечения выема фильтра-коагулятора система снабжена вырезом и крышкой 11.

Система работает следующим образом. При запуске газотурбинного двигателя подаваемый на горение воздух проходит последовательно три ступени системы. В сепараторе первой ступени 2 отделяется крупно- и среднедисперсная влага, которая скапливается в "карманах" 6 лопаток 5 и стекает во влагосборное устройство 9 и удаляется через патрубки 10 в общесудовую дренажную систему.

Мелкодисперсные капли, не отделившиеся в первой ступени 2, попадают в фильтр-коагулятор 4, в котором происходит их укрупнение. Укрупненные капли воды частично стекают во влагосборное устройство 9, частично сдуваются на третью ступень - сепаратор 3, где происходит их сепарация аналогично описанному ранее.

Одновременно с этим в фильтре-коагуляторе задерживается взвесь соли морской воды даже в сухом виде, которая в силу своей гигроскопичности растворяется во влаге фильтра-коагулятора и частично вместе с капельками морской воды попадает на третью ступень очистки, где и перехватывается.

Выполнение профиля сепараторов в виде лопаток, представленных на фиг.5, имеющих указанный угол атаки и установленных относительно друг друга с образованием сопла Лаваля, позволяет существенно снизить аэродинамическое сопротивление системы без заметного снижения эффективности очистки от солей морской воды. Это показали расчеты с использованием программного комплекса FLUENT, реализующего метод контрольного объема для интегрирования уравнений Рейнольдса, а также результаты стендовых продувок системы.

Выполнение зигзагов фильтра-коагулятора асимметричными позволяет обеспечить прохождение воздуха через полотно под примерно одинаковыми углами, что также повышает эффективность очистки.

Изобретение относится к области судостроения, в частности к системам очистки воздуха. Система очистки воздуха включает установленные по ходу воздуха три ступени очистки от находящихся в воздухе воды и солей, из которых первая и третья ступени - жалюзийные сепараторы, а вторая ступень - установленный между ними с возможностью выема фильтр-коагулятор. Сепараторы состоят из вертикально ориентированных профилей с влагоулавливающими элементами. Фильтр-коагулятор выполнен в виде коагулирующего полотна, установленного в вертикальном каркасе, обеспечивающем зигзагообразность полотна, средняя условная плоскость которого расположена перпендикулярно относительно продольной оси системы, кроме того, нижняя часть системы снабжена устройством отвода отделенной от воздуха влаги. Профиль сепараторов первой и третьей ступени выполнен разрезным, состоящим из нескольких последовательно установленных в виде разрезной зигзагообразной системы лопаток, каждая из которых в сечении является частью зигзага, содержит влагоулавливающий элемент и установлена так, что каждая последующая лопатка расположена зеркально относительно продольной оси предыдущей, входная часть последующей лопатки смещена относительно выходной части предыдущей навстречу потоку воздуха. Входная часть передних лопаток установлена с углом атаки относительно продольной оси системы, а направление выхода воздуха из сепаратора первой ступени соответствует направлению входа в сепаратор третьей ступени. Технический результат: повышение экономичности системы очистки воздуха от солей морской воды за счет разработанной конструкции и взаимного расположения лопаток с влагоулавливающими элементами, формы и шага складки полотна фильтра - коагулятора, повышение технологичности изготовления элементов и сборки фильтра, снижение материале- и трудоемкости изготовления, улучшение степени очистки воздуха на всех режимах работы двигателя при меньших, чем у известных систем, затратах энергии работы двигателя на обеспечение требуемой очистки воздуха в эквивалентных ситуациях. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Система очистки воздуха, включающая установленные по ходу воздуха три ступени очистки от находящихся в воздухе воды и солей, из которых первая и третья ступени - жалюзийные сепараторы, а вторая ступень - установленный между ними с возможностью выема фильтр-коагулятор, при этом сепараторы состоят из вертикально ориентированных профилей с влагоулавливающими элементами, а фильтр-коагулятор выполнен в виде коагулирующего полотна, установленного в вертикальном каркасе, обеспечивающем зигзагообразность полотна, средняя условная плоскость которого расположена перпендикулярно относительно продольной оси системы, кроме того, нижняя часть системы снабжена устройством отвода отделенной от воздуха влаги, отличающаяся тем, что профиль сепараторов первой и третьей ступеней выполнен разрезным, состоящим из нескольких последовательно установленных в виде разрезной зигзагообразной системы лопаток, каждая из которых в сечении является частью зигзага, содержит влагоулавливающий элемент и установлена так, что каждая последующая лопатка расположена зеркально относительно продольной оси предыдущей, входная часть последующей лопатки смещена относительно выходной части предыдущей навстречу потоку воздуха, при этом входная часть передних лопаток установлена с углом атаки относительно продольной оси системы, а направление выхода воздуха из сепаратора первой ступени соответствует направлению входа в сепаратор третьей ступени.2. Система очистки воздуха по п.1, отличающаяся тем, что каждая лопатка выполнена из пластины, имеющей в сечении два односторонних изгиба, при этом угол атаки входной части относительно продольной оси системы составляет 17°±3°, угол между средней частью и продольной осью системы составляет 8°±2°, угол между выходной частью и продольной осью системы составляет 22°±6°, а влагоулавливающий элемент выполнен в виде кармана, обращенного к вогнутой стороне лопатки.3. Система очистки воздуха по п.1, отличающаяся тем, что огибающая лопатки выполнена в виде сопряженных по касательной двух дуг окружностей, центры которых расположены на перпендикуляре к касательной, отложенном из точки касания дуг, радиус дуги R_вх, соответствующий входной части лопатки, может составлять около 25 В_л, выходной R_вых - около 5 В_л, где В_л - эквивалентная поперечная ширина лопатки, равная ширине проекции лопатки на условную вертикальную плоскость, нормальную к средней условной плоскости фильтра коагулятора.4. Система очистки воздуха по п.1, отличающаяся тем, что каждый зигзаг фильтра-коагулятора выполнен асимметричным, например, в виде системы двухгранных складок, при этом шаг складок фильтра-коагулятора кратен шагу установки лопаток.