DE69520926T2 - Vorrichtung zum Trennen und Filtern von Partikeln aus einem strömenden fluiden Medium - Google Patents

Vorrichtung zum Trennen und Filtern von Partikeln aus einem strömenden fluiden Medium

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Description

  • Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trennen und Filtern von Partikeln aus einem strömenden fluiden Medium. Insbesondere ist sie zum Trennen und Filtern von festen Partikeln aus einem Versorgungskreis eines Turbotriebwerks mit dosiertem Treibstoff anwendbar. Bei zahlreichen Vorrichtungen, die Flüssigkeiten unter hohem Druck verwenden, muss die Flüssigkeit perfekt gefiltert sein, um Verschleiß durch Verunreinigungen zu vermeiden Häufig wird diese Bedingung mit einem Filtereinsatz erfüllt, der ausgewechselt werden kann, wenn er sich zugesetzt hat. Desgleichen wird häufig ein Umleitventil eingesetzt, das die Zirkulation der Flüssigkeit an einem zugesetzten Filtereinsatz vorbei ermöglicht. Der Zustand des Filters muss regelmäßig kontrolliert werden, so dass eine rasche Beschädigung der teuren Geräte, die der Filter schützen soll, vermieden wird.
  • In dem besonderen Fall eines Versorgungs- und Dosiersystems für den Treibstoff eines Turbotriebwerks, das im allgemeinen eine Zahnradpumpe wie z. B. eine Verdrängervakuumpumpe, eine Durchsatz-Dosiervorrichtung sowie Treibstoffeinspritzdüsen enthält, ist es erforderlich, dieses System vor einer Kontamination von außen zu schützen, die von den Treibstoffianks herrührt, und dis Dosiervorrichtung und die Einspritzdüsen vor der Kontamination durch Abriebpartikel der Pumpe und selbst durch eine Abnutzung der Pumpe zu schützen. Dieser doppelte Schutz kann jedoch nicht durch Einsatz eines einzigen Filters erreicht werden. Ferner bedeutet die Verwendung von zwei Filtern, die vor bzw. hinter der Pumpe angeordnet werden, Probleme beim Einbau, ein höheres Gewicht des Triebwerks, zusätzliche Wartungsarbeiten sowie ein funktionelles Problem auf Grund der hohen Drücke hinter der Pumpe. Außerdem bringen diese Systeme nicht zu vernachlässigende Druckverluste mit sich, die mit wachsendem Zusetzen des Filters steigen.
  • Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Trennen und Filtern von schweren, festen Partikeln aus einem strömenden fluiden Medium auszuführen, die wirksam ist, unempfindlich gegen ein Phänomen des Sich-Zusetzens ist und nur geringe Druckverluste verursacht.
  • Außerdem ist es Aufgabe dieser Erfindung, eine Vorrichtung zum Trennen und Filtern auszuführen, die leicht hinter einem mechanischen Filter verwendet werden kann, falls ein doppelter Schutz notwendig ist, wie beispielsweise bei einem Treibstoff-Versorgungskreis mit einer Zahnradpumpe, um die durch den Abrieb oder auch die Abnutzung der Pumpe entstandenen Partikel herauszuflitern.
  • Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, für den besonderen Fall eines Treibstoff- Versorgungssystems eine Vorrichtung zum Trennen und Filtern auszuführen, die neben den Wartungsarbeiten bei einem Ausfall der Treibstoffpumpe keine besondere Überwachung erfordert und keine Fehlfunktion des Treibstoff-Versorgungssystems mit sich bringen kann. Dazu besteht die Erfindung darin, das zu behandelnde fluide Medium in zwei Strömungskreise zu trennen, indem die Kraft der Trägheit oder der Masse (Zentrifügalkraft) der Partikel, die auf die große spezifische Masse der Partikel im Vergleich zur spezifischen Masse des fluiden Mediums zurückgeht, ausgenützt wird. Aus GB-A-2 064 359 ist eine Vorrichtung zum Filtern bekannt, bei der der Strom an der Peripherie zurückgehalten wird und nur der Strom in der Mitte nach dem Filtern erhalten bleibt.
  • Erfindungsgemäß erfolgt die Trennung des zu behandelnden fluiden Mediums, indem das in axialer Richtung strömende Medium in eine schraubenförmige Bewegung versetzt wird. Durch die Zentrifugalwirkung werden die schweren Partikel an der Peripherie des fluiden Mediums konzentriert. Der im mittleren Bereich befindliche Strom, der von den schwersten Partikeln befreit ist, durchquert einen Trägheits-Separator, in dem die Beseitigung der letzten Partikel vollendet wird. Das kontaminierte fluide Medium an der Peripherie des Stroms strömt dann durch ein mechanisches Filtersystem, das die schweren Partikel zurückhält und das gereinigte fluide Medium durchlässt, das sich dann wieder mit dem sauberen mittleren Strom mischt. Die Gesamtmenge des fluiden Mediums, das in die erfindungsgemäße Vorrichtung eintritt, tritt auch wieder aus dieser Vorrichtung aus.
  • Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zum Trennen und Filtern von Partikeln aus einem kontaminierten strömenden fluiden Medium dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist:
  • - ein Gehäuse mit einer Zugangsleitung für das fluide Medium und einer Auslassleitung für das fluide Medium,
  • - einen Fliehkraft-Separator, der in der Zugangsleitung für das fluide Medium sitzt und die Funktion hat, die Partikel an der Peripherie des strömenden fluiden Mediums zu konzentrieren,
  • - ein rohrförmiges Element, das am hinteren Ende des Fliehkraft-Separators sitzt, wobei dieses rohrförmige Element vorne einen kleineren Durchmesser hat als die Zugangsleitung für das fluide Medium, so dass ein doppelter koaxialer Strom des fluiden Mediums-entsteht, und zwar ein zentraler Strom des sauberen fluiden Mediums und ein äußerer Strom des kontaminierten fluiden Mediums,
  • - eine Vorrichtung zum mechanischen Filtern des kontaminierten strömenden fluiden Mediums, die eine zentrale Passage bildet, deren Achse parallel zur allgemeinen Strömungsrichtung des sauberen fluiden Mediums verläuft, und die mit der Auslassleitung kommuniziert, wobei das vordere Ende der zentralen Passage den zentralen Strom des sauberen fluiden Mediums sowie den genannten Strom des kontaminierten fluiden Mediums nach dessen Durchgang durch den Filter, wenn er sich auf diese Weise gereinigt wieder mit dem Strom des sauberen fluiden Mediums vermischt, aufnimmt, so dass in der Auslassleitung ein Gesamtstrom gebildet wird, der gleich groß wie der Strom des fluiden Mediums in der Zugangsleitung ist.
  • Weitere Besonderheiten oder Vorteile der Erfindung gehen näher aus der folgenden Beschreibung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuten erfolgt, wobei
  • Fig. 1 ein Wirkbild einer Vorrichtung zum Trennen und Filtern von Partikeln zeigt, das die Strömung des sauberen fluiden Mediums und des mit schweren Partikeln kontaminierten fluiden Mediums gemäß dieser Erfindung darstellt, und
  • Fig. 2 in einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Trennen und Filtern von Partikeln aus einem strömenden fluides Medium zeigt.
  • Die Partikel, die durch den Verschleiß bzw. den Abrieb einer Zahnradpumpe entstehen, bestehen vor allem aus Bronzestaub, der von den Lagern dieser Pumpe stammt, aber auch aus Splittern, die von den Zahnrädern stammen. Die spezifische Masse dieser Partikel beträgt das Sieben- bis Zehnfache der spezifischen Masse des Treibstoffs.
  • Zum Trennen und Filtern dieser Partikel weist die in den Fig. 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung ein Gehäuse 10 mit einer Zugangsleitung 11 und einer Auslassleitung 12 auf; zwischen denen ein fluides Medium zirkuliert, beispielsweise Treibstoff, das mit schweren Partikeln verunreinigt ist. In diesem Gehäuse sitzt eine erste Trennvorrichtung, die aus einem Fliehkraft-Separator 13 besteht, der mit einem rohrtörmigen Element 14 verbunden ist. Der Fliehkraft-Separator 13 sitzt in der Zugangsleitung 11 und weist eine spiralförmige Hülse auf; die dazu vorgesehen ist, das fluide Medium in eine Wirbelbewegupgum die Längsachse der Leitung zu versetzen. Durch die Zentrifugalwirkung sorgt die Wirbelbewegung dafür, dass die schweren Partikel in die Peripheriebereiche des strömenden fluiden Mediums getragen werden, wobei die leichteren Partikel in den zentralen Bereich des strömenden fluiden Mediums gelangen.
  • Am hinteren Ende des Fliehkraft-Separators ist ein rohrförmiges Element 14 angebracht, das vorzugsweise eine sich erweiternde Form aufweist, deren vorderer Durchmesser kleiner ist als der der Zugangsleitung 11, so dass zwischen dem rohrförmigen Element 14 und den Wänden des Gehäuses 10 ein ringförmiger Durchlass gebildet wird, der dazu vorgesehen ist, den äußeren Teil des Stroms des fluiden Mediums, der stark mit schweren Partikeln kontaminiert ist, in eine periphere Leitung 15 zu kanalisieren, sowie ein zentraler Durchlass gebildet wird, der dazu vorgesehen ist, den zentralen Teil des Stroms des fluiden Mediums, der von den schweren Partikeln befreit ist, in eine zentrale Leitung 16 zu kanalisieren. Die erste Trennvorrichtung bildet auf diese Weise einen doppelten koaxialen Strom des Buiden Mediums, und zwar einen zentralen Strom des sauberen fluiden Mediums und einen äußeren Strom des kontaminierten fluiden Mediums. Um die Trennung der schweren Partikel in dem Buiden Medium zu vervollständigen, ist ein zweites Trennsystem in der zentralen Leitung 16 für das saubere fluide Medium koaxial mit dem rohrförmigen Element 14 angeordnet. Dieses zweite Trennsystem, das ein Trägheits-Separator ist, besteht aus einem zylindrischen Teil 17, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des rohrförmigen Elements 14, und das an seinem vorderen Ende geschlossen ist. Dieses zylindrische Teil 17 sitzt im Inneren des rohrförmigen Elements 14.
  • Am hinteren Ende dieses zylindrischen Teils 17 ist ein Ablenkelement 18 mit sich erweiternder Form angebracht, dessen vorderer Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des zylindrischen Teils 17, so dass zwischen dem Ablenkelement 18 und den Innenwänden des zylindrischen Teils 17 ein ringförmiger Durchlass gebildet wird.
  • Das Ablenkelement 18 erstreckt sich in der Verlängerung des zylindrischen Teils 17 über das rohrförmige Element 14 hinaus und bildet mit dem zylindrischen Teil 17 einen zylindrischen zentralen Durchlass 19, der am hinteren Ende des Ablenkelements 18 mündet, wobei dieser zentrale Durchlass 19 zu dem zentralen Strömungskreis des fluiden Mediums gehört.
  • Da der Trägheits-Separator in der zentralen Leitung 16 angeordnet ist, bewirkt er vor allem, dass der zentrale Strom zwischen dem zylindrischen Teil 17 und dem rohrförmigen Element 14 kanalisiert wird, und dann, dass dieser zentrale Strom am hinteren Ende des zylindrischen Teils abrupt seine Richtung ändern muss, so dass er über den ringförmigen Durchlass und dann in den zylindrischen zentralen Durchlass 19 gelangt. Da der Richtungswechsel mit einem sehr kleinen Krümmungsradius erfolgt, können die schweren Partikel, die nicht durch den Fliehkraft-Separator abgeschieden wurden, diesen Richtungswechsel nicht vollziehen und gelangen dadurch in einen Ableitkreis 20 mit sanfterem Verlauf, der sich in die periphere Leitung 15 ergießt, in der das kontaminierte fluide Medium zirkuliert. Es zirkuliert also nur das saubere fluide Medium, das von den restlichen schweren Partikeln befreit wurde, durch den zylindrischen zentralen Durchlass 19, der damit zum zentralen Strömungskreis des fluiden Mediums gehört. Der Ableitkreis 20 befindet sich zwischen dem Ablenkelement 18 und dem rohrförmigen Element 14.
  • Am hinteren Ende des Ablenkelements 18 ist eine Vorrichtung zum mechanischen Filtern 21, die dazu vorgesehen ist, die schweren Partikel zurückzuhalten, in dem zentralen Strömungskreis des sauberen fluiden Mediums parallel zur Strömung des fluiden Mediums vor der Auslassleitung 12 angebracht. Der mechanische Filter 21 weist eine zentrale Passage 22 auf, die mit dem zentralen Durchlass 19 des Ablenkelements 18 und des zylindrischen Teils 17 und mit der Auslassleitung 12 der Vorrichtung zum Trennen und Filtern kommuniziert, wobei dieser zentrale Durchlass 19 es ermöglicht, dass das in dem zentralen Kreis der Trennvorrichtung zirkulierende, saubere fluide Medium direkt in die Auslassleitung 12 mündet. Um die von der Vorrichtung blockierten Partikel besser zurückzuhalten, wird ein vertikaler Einbau bevorzugt (Strömung von oben nach unten).
  • Das von der peripheren Leitung des Fliehkraft-Separators und von dem Ableitkreis des Trägheits-Separators kommende kontaminierte fluide Medium durchströmt den Filter, der die schweren Partikel zurückhält. Nach dem Durchgang durch den Filter mündet dieses gereinigte fluide Medium in den zentralen Strömungskreis, in dem das saubere fluide Medium zirkuliert. Das gesamte fluide Medium mündet also in die Auslassleitung der Vorrichtung zum Trennen und Filtern der schweren Partikel. Da die Gesamtmenge des fluiden Mediums, die in die Vorrichtung zum Trennen und Filtern eintritt, auch wieder aus dieser Vorrichtung austritt, es ist also möglich, diese Vorrichtung an einem Kreis eines fluiden Mediums zu installieren, dessen Menge zuvor dosiert wurde.
  • Die Vorrichtung zum Trennen und Filtern hat eine gewisse Anzahl von Vorteilen. Sie ist unempfindlich gegen ein Phänomen des Sich-Zusetzens, da das fluide Medium, wenn sich der Filter 21 zusetzt, weiterhin durch den zentralen Kreis strömt, ohne dass eine Umleitpumpe eingesetzt wird, d. h. ohne das Risiko, dass sich die in dem Filter 21 aufgefangenen Verschmutzungen lösen. Es findet nur eine Verschlechterung des Trennvermögens statt, da das gesamte fluide Medium durch die zentrale Leitung 16 strömt. Die Vorrichtung zum Trennen und Filtern fängt jedoch die Partikel noch immer ein. Außerdem wird die Vorrichtung zum Trennen und Filtern nicht von dem Phänomen des Vereisens gestört, selbst wenn die Temperatur unter Null Grad Celsius beträgt, da der zentrale Kreis sehr durchlässig ist und nicht durch Frostpartikel verstopft werden kann.
  • Es werden nur die schweren Partikel abgeleitet und gefiltert, während die laichten oder sehr kleinen Partikel in dem zentralen Kreis verbleiben und keine Gefahr darstellen, dass sie den Filter 21 verschmutzen. Der Filter 21 kann daher sehr fein sein.
  • Die Erfindung ist nicht auf das soeben näher beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann die Zahl der Partikelseparatoren eine andere sein als zwei. Insbesondere ist es nicht unbedingt erforderlich, hinter dem Fliehkraft-Separator einen Trägheits-Separator in den zentralen Kreis des Stroms des fluiden Mediums einzusetzen. Die Vorrichtung zum Trennen und Filtern von Partikeln kann nämlich durchaus auch nur einen Fliehkraft-Separator 13, der mit einem rohrförmigen Element 14 verbunden ist, und eine Vorrichtung zum mechanischen Filtern 21 des kontaminierten strömenden fluiden Mediums, die in dem zentralen Kreis des Stroms des fluiden Mediums zwischen dem rohrförmigen Element 14 und der Auslassleitung und parallel zu dem Strom des sauberen fluiden Mediums eingebaut ist, aufweisen.
  • Desgleichen können in Reihe mehrere Trägheits-Separatoren angeordnet werden, die mit Ablenkelementen verbunden sind, wobei der Filter dann zwischen dem letzten Ablenkelement und der Auslassleitung angeordnet ist. Bei all den möglichen Ausführungformen ist der Druckverlust sehr gering, und die Menge des fluiden Mediums, die aus der Vorrichtung zum Trennen und Filtern austritt, ist gleich groß wie die Menge in der Zugangsleitung.
  • Ferner ist bei einem Einsatz der Vorrichtung zum Trennen und Filtern in einem Treibstoff- Versorgungskreis mit einem vor einer Pumpe angeordneten Filter der Fliehkreft-Separator wirksam, selbst wenn der vordere Filter sich zugesetzt hat. In diesem Fall kann die Versorgung mit Treibstoff unter geeigneten Reinheitsbedingungen gewährleistet werden. Im Falle des Zusetzens des vorderen Filters und des Filters 21 wird trotzdem der Strom des fluiden Mediums nicht unterbrochen.

Claims (2)

1. Vorrichtung zum Trennen und Filtern von Partikeln aus einem kontaminierten strömenden fluiden Medium,
dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist:
- ein Gehäuse (10) mit einer Zugangsleitung (11) für das fluide Medium und einer Auslassleitung (12) für das fluide Medium,
- einen Fliehkraft-Separator (13), der in der Zugangsleitung (11) für das fluide Medium sitzt und die Funktion hat, die Partikel an der Peripherie des strömenden fluiden Mediums zu konzentrieren,
- ein rohrförmiges Element (14), das am hinteren Ende des Fliehkraft-Separators (13) sitzt, wobei dieses rohrförmige Element (14) vorne einen kleineren Durchmesser hat als die Zugangsleitung (11) für das fluide Medium, so dass ein doppelter koaxialer Strom des fluiden Mediums entsteht, und zwar ein zentraler Strom des sauberen fluiden Mediums und ein äußerer Strom des kontaminierten fluiden Mediums,
eine Vorrichtung zum mechanischen Filtern (21) des kontaminierten strömenden fluiden Mediums, die eine zentrale Passage (22) bildet, deren Achse parallel zur allgemeinen Strömungsrichtungßes sauberen fluiden Mediums verläuft, und die mit der Auslassleitung (12) kommuniziert, wobei das vordere Ende der zentralen Passage (22) den zentralen Strom des sauberen fluiden Mediums sowie den genannten Strom des kontaminierten fluiden Mediums nach dessen Durchgang durch den Filter (21), wenn er sich auf diese Weise gereinigt wieder mit dem Strom des sauberen fluiden Mediums vermischt, aufnimmt, so dass in der Auslassleitung (12) ein Gesamtstrom gebildet wird, der gleich groß wie der Strom des fluiden Mediums in der Zugangsleitung (11) ist.
2. Vorrichtung zum Trennen und Filtern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner zwischen dem zentralen Strom des sauberen fluiden Mediums, der in das rohrförmige Element (14) eintritt, und der zentralen Passage (22) der Filtervorrichtung (21) einen zusätzlichen Trägheits-Separator aufweist, der aus einem zylindrischen Teil (17), das an seinem vorderen Ende geschlossen ist, und einem Ablenkelement (18) besteht, dessen vorderes Ende in einem oberen Bereich des zylindrischen Teils (17) eindringt und dadurch mit dem Teil (17) einen ringförmigen Durchlass bildet, wobei das hintere Ende des Ablenkelements (18) sich über den hinteren Teil des rohrförmigen Elements (14) hinaus erstreckt, so dass ein Teil des zentralen Stroms des sauberen fluiden Mediums in den ringförmigen Durchlass und dann in den Eingang (19) des Ablenkelements (18) in Richtung der zentralen Passage (22) der Filtervorrichtung (21) geleitet wird, wobei der Rest des zentralen Stroms des sauberen fluiden Mediums durch den Durchlass zwischen dem rohrförmigen Element (14) und dem Ablenkelement (18) zu dem äußeren Strom des kontaminierten fluiden Mediums hin strömt.
DE69520926T 1994-11-16 1995-11-15 Vorrichtung zum Trennen und Filtern von Partikeln aus einem strömenden fluiden Medium Expired - Lifetime DE69520926T2 (de)

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