RU2174874C1 - Dust separator for supercharging bearing supports with air - Google Patents

Abstract

FIELD: dust separation before supercharging and cooling bearing supports of gas-turbine engines with air. SUBSTANCE: proposed dust separator has housing with outer and inner spiral walls, inlet branch pipe for admitting dust-and-air mixture into housing, branch pipes for discharge of cleaned air separated dust and branch pipe for delivery of dust-and-air mixture to inlet branch pipe. Inner spiral walls has at least two layers with slots formed by butt ends of spiral walls and shifted relative to each other in radial direction; butt ends of spiral walls directed opposite dust-and-air mixture flow are located above in way of flow at lesser radial distance as compared with butt ends of walls directed in way of flow; slots in spiral walls are located at greater radial distance from respective slots in walls having lesser radial distance; they are located below in way of flow; inlet branch pipe is provide with converging slotted section across outer and inner spiral walls; flow area of dust discharge branch pipe is equal to 0.04-0.08 of flow area of dust-and-air mixture delivery branch pipe. EFFECT: enhanced efficiency of dust separation in supercharging at minimum losses of pressure of air being cleaned. 6 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам пылеотделителей для наддува и охлаждения воздухом подшипниковых опор газотурбинных двигателей. The invention relates to dust separator devices for pressurization and air cooling of bearing supports of gas turbine engines.

Известен сепаратор посторонних частиц с отсасывающим эжектором для газотурбинного двигателя, содержащий корпусную панель с сетчатым фильтром и рядами сепараторов центробежного типа с лопатками в трубчатых каналах и установленными коаксиально внутренними трубками отбора чистого воздуха [1]. A known foreign particle separator with a suction ejector for a gas turbine engine, comprising a housing panel with a strainer and rows of centrifugal separators with vanes in the tubular channels and coaxially installed internal clean air sampling tubes [1].

Недостатком известной конструкции является то, что она предназначена для очистки поступающего в двигатель воздуха с помощью эжекторного устройства, поэтому она не может быть эффективно использована для пылеотделения при избыточном давлении воздуха, например, для охлаждения подшипниковых опор газотурбинного двигателя от сжатого в компрессоре воздуха. A disadvantage of the known design is that it is designed to clean the air entering the engine using an ejector device, therefore, it cannot be effectively used for dust separation at excessive air pressure, for example, for cooling the bearings of a gas turbine engine from compressed air in a compressor.

Известен также пылеотделитель, содержащий криволинейную вихревую камеру и патрубок ввода, сообщающиеся между собой посредством щелей, а также осевой патрубок очищенного воздуха [2]. Also known is a dust separator containing a curved vortex chamber and an input pipe communicating with each other by means of slots, as well as an axial pipe of purified air [2].

Известная конструкция относится к технике очистки газов от дисперсных примесей, преимущественно в установках пневмотранспорта порошкообразных материалов, а циркуляционный поток в ней формируется за счет эжектирующего действия, создаваемого шиберами, и регулируется таким образом, чтобы не допустить вымывания пыли из приемника. Поэтому недостатком такой конструкции является невозможность ее эффективного использования при наддуве, т.е. при избыточном давлении очищаемого воздуха, например, для охлаждения подшипниковых опор и полостей наддува газотурбинных двигателей от сжатого в компрессоре воздуха. Это вызвано необходимостью исключить возможность попадания твердых частиц в масляные полости подшипниковых опор через лабиринтные уплотнения для повышения ресурса и надежности газотурбинных двигателей при минимальных потерях давления сжатого в компрессоре воздуха. The known design relates to techniques for cleaning gases from dispersed impurities, mainly in pneumatic conveying systems of powdered materials, and the circulation flow in it is formed due to the ejection action created by the gates, and is controlled in such a way as to prevent dust from being washed out of the receiver. Therefore, the disadvantage of this design is the impossibility of its effective use in supercharging, i.e. at excess pressure of the cleaned air, for example, for cooling bearing bearings and pressurization cavities of gas turbine engines from compressed air in the compressor. This is due to the need to exclude the possibility of solid particles entering the oil cavities of bearing bearings through labyrinth seals to increase the life and reliability of gas turbine engines with minimal pressure loss of compressed air in the compressor.

Наиболее близким к заявляемому устройству является пылеуловитель, содержащий корпус с наружной и внутренней спиральными стенками, входной патрубок для ввода пылевоздушной смеси в корпус, патрубки для вывода очищенного воздуха и отделившейся пыли и патрубок для подвода пылевоздушной смеси к входному патрубку [3]. Closest to the claimed device is a dust collector comprising a housing with outer and inner spiral walls, an inlet pipe for introducing the dusty air mixture into the body, nozzles for discharging purified air and separated dust, and a pipe for supplying the dusty air mixture to the inlet pipe [3].

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является недостаточно высокая эффективность улавливания пыли, что объясняется турбулентным вихревым движением пылевоздушной смеси в центробежно-инерционном пылеуловителе. Недостатком конструкции является также невозможность ее эффективного использования для пылеотделения при избыточном давлении очищаемого воздуха, преимущественно для охлаждения подшипниковых опор и камер наддува в газотурбинных двигателях из-за больших потерь давления сжатого в компрессоре воздуха. A disadvantage of the known design adopted as a prototype is the dust collection efficiency is not high enough, which is explained by the turbulent vortex motion of the dust-air mixture in a centrifugal-inertial dust collector. The design drawback is also the impossibility of its effective use for dust separation at excess pressure of the cleaned air, mainly for cooling bearings and pressurization chambers in gas turbine engines due to large pressure losses of the compressed air in the compressor.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности пылеотделения при наддуве с минимальными потерями давления очищаемого воздуха, например, отбираемого от компрессора газотурбинного двигателя для охлаждения подшипниковых опор, за счет дросселирования очищаемого воздуха в криволинейной вихревой камере, устойчивых траекторий закрутки, торможения, транспортировки и выброса посторонних твердых частиц. The technical problem to which the claimed invention is directed is to increase the efficiency of dust separation during pressurization with minimal pressure loss of the cleaned air, for example, taken from the compressor of a gas turbine engine to cool the bearings, by throttling the cleaned air in a curved vortex chamber, stable swirl paths, braking, transportation and ejection of foreign solid particles.

Сущность технического решения заключается в том, что в пылеотделителе для наддува воздухом подшипниковых опор, содержащем корпус с наружной и внутренней спиральными стенками, входной патрубок для ввода пылевоздушной смеси в корпус, патрубки для вывода очищенного воздуха и отделившейся пыли и патрубок для подвода пылевоздушной смеси к входному патрубку, согласно изобретению внутренняя спиральная стенка выполнена по крайней мере двухслойной с щелями, образованными торцами спиральных стенок и сдвинутыми одна относительно другой в радиальном направлении, причем торцы спиральных стенок, направленные против потока пылевоздушной смеси, расположены выше по потоку и на меньшем радиальном расстоянии, чем торцы стенок, направленные по потоку, а щели в спиральных стенках, радиально более удаленные от соответствующих щелей в стенках с меньшим радиальным расстоянием, расположены ниже по потоку, при этом входной патрубок выполнен с конфузорным щелевым участком поперек наружной и внутренней спиральных стенок, а проходная площадь патрубка для вывода пыли составляет 0,04...0,08 от проходной площади патрубка для подвода пылевоздушной смеси. The essence of the technical solution lies in the fact that in the dust separator for pressurization of bearing bearings containing a housing with outer and inner spiral walls, an inlet pipe for introducing the dusty air mixture into the housing, nozzles for discharging purified air and separated dust, and a pipe for supplying the dusty air mixture to the inlet the pipe, according to the invention, the inner spiral wall is made of at least two layers with slots formed by the ends of the spiral walls and shifted one relative to the other in order to the direction of the spiral walls, directed against the flow of the dusty air mixture, are located upstream and at a smaller radial distance than the ends of the walls directed upstream, and the cracks in the spiral walls radially more remote from the corresponding slots in the walls with a smaller radial distance are located downstream, while the inlet pipe is made with a confuser slot section across the outer and inner spiral walls, and the passage area of the pipe for dust extraction is 0.04 ... 0.08 from one area of the pipe for supplying a dusty air mixture.

Выполнение внутренней спиральной стенки по крайней мере двухслойной с образованием щелей торцами спиральных стенок, сдвинутыми одна относительно другой в радиальном направлении таким образом, что торцы спиральных стенок, направленные против потока пылевоздушной смеси, расположены выше по потоку и на меньшем радиальном расстоянии, чем торцы стенок, направленные по потоку, повышает эффективность сепарации крупных абразивных частиц (а мах = 150 мкм) от средних и самых мелких частиц (а мах = 10...50 мкм) за счет образования турбулентных зон обратных токов при прохождении потока воздуха через щели с разворотом на 180^o.The execution of the internal spiral wall is at least two-layer with the formation of slits with the ends of the spiral walls shifted one relative to the other in the radial direction so that the ends of the spiral walls directed against the dust-air mixture flow are located upstream and at a smaller radial distance than the ends of the walls, directed downstream, increases the efficiency of separation of large abrasive particles (max = 150 microns) from medium and smallest particles (max = 10 ... 50 microns) due to the formation of turbulent reverse zones s current at an air flow passing through the slit with 180 ^o.

Выполнение щелей в спиральных стенках, радиально более удаленных от соответствующих щелей с меньшим радиальным расстоянием, расположенных ниже по потоку, создает устойчивые траектории движения более легких частиц по внутреннему спиральному контуру с меньшим радиусом, а по наружному спиральному контуру с большим радиусом - более тяжелых частиц. При этом зоны обратных токов в щелях с меньшим радиальным удалением создают дросселирующую завесу для частиц более тяжелых и повышают эффективность сепарации и транспортировки частиц к патрубку для вывода отделившейся пыли. The execution of slits in spiral walls radially farther from the corresponding slots with a smaller radial distance, located downstream, creates stable trajectories of movement of lighter particles along an inner spiral contour with a smaller radius, and along an external spiral contour with a large radius - heavier particles. At the same time, reverse current zones in slots with less radial distance create a throttling curtain for heavier particles and increase the efficiency of separation and transportation of particles to the nozzle to remove the separated dust.

Выполнение входного патрубка с конфузорным щелевым участком поперек наружной и внутренней спиральных стенок позволяет этот патрубок выполнить диффузорным вдоль стенок, что делает режим течения запыленного воздуха как при конфузорном, так и при диффузорном течении более устойчивым, уменьшается турбулентность потока, а также уменьшаются вторичные течения в спиральных каналах инерционного пылеотделителя. The implementation of the inlet pipe with a confuser gap section across the outer and inner spiral walls allows this pipe to be diffuser along the walls, which makes the dusty air flow regime both confuser and diffuser flow more stable, turbulence of the flow is reduced, and secondary flows in spiral channels of inertial dust separator.

Выполнение проходной площади патрубка для вывода пыли в пределах 0,04... 0,08 от проходной площади патрубка для подвода пылевоздушной смеси повышает эффективность очистки при срабатывании противопомпажных устройств для сброса воздуха из компрессора высокого давления, от которого производится отбор воздуха для охлаждения подшипниковых опор двигателя. При этих значениях проходной площади обеспечивается надежная транспортировка и выброс в подкапотное пространство двигателя твердых частиц с размерами 10...150 мкм. Кроме того, такое выполнение проходной площади патрубка улучшает динамическую устойчивость компрессора за счет снижения воздействия вращающегося вихря, возникающего на верхних кромках лопаток компрессора. The implementation of the passage area of the nozzle for dust removal within 0.04 ... 0.08 from the passage area of the nozzle for supplying a dust-air mixture increases the cleaning efficiency when anti-surge devices operate to discharge air from the high-pressure compressor, from which air is taken to cool the bearings engine. With these values of the passage area, reliable transportation and ejection of solid particles with sizes of 10 ... 150 microns into the engine compartment is ensured. In addition, this embodiment of the passage area of the nozzle improves the dynamic stability of the compressor by reducing the impact of a rotating vortex that occurs on the upper edges of the compressor blades.

На фиг. 1 изображен пылеотделитель, установленный на корпусе компрессора газотурбинного двигателя; на фиг. 2 изображен общий вид пылеотделителя; на фиг. 3 - вид А на фиг. 2; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 5 - разрез В-В на фиг. 2; на фиг. 6 - разрез Г-Г на фиг. 3. In FIG. 1 shows a dust separator mounted on a compressor housing of a gas turbine engine; in FIG. 2 shows a general view of the dust separator; in FIG. 3 is a view A in FIG. 2; in FIG. 4 is a section BB in FIG. 2; in FIG. 5 is a section BB of FIG. 2; in FIG. 6 is a section GG in FIG. 3.

Пылеотделитель для наддува воздухом подшипниковых опор газотурбинного двигателя содержит корпус 1 с наружной спиральной стенкой 2 и внутренней спиральной стенкой 3, входной патрубок 4 для ввода пылевоздушной смеси 5 в корпус 1, патрубок 6 для вывода очищенного воздуха 7, патрубок 8 для вывода отделившихся частиц пыли 9 и патрубок 10 для подвода пылевоздушной смеси 5 к входному патрубку 4. Внутренняя спиральная стенка 3 выполнена двухслойной со стенками 11 и 12 (см. фиг. 6) и образует щели X, Y, Z и X1, Y1, Z1 торцами 13 и 14 спиральных стенок 11, 12, сдвинутыми одна относительно другой в радиальном направлении. Торцы 13 спиральных стенок 11, 12, направленные против потока пылевоздушной смеси 5, расположены выше по потоку на величину t, t1 и т. д. и на меньшем радиальном расстоянии R, R3, чем торцы 14 стенок 11, 12, направленные по потоку пылевоздушной смеси 5 и имеющие радиальные расстояния соответственно R1, R2. Щели X1, Y1, Z1 в радиальных стенках 12, радиально более удаленные от соответствующих щелей X, Y, Z в стенках 11 с меньшим радиальным расстоянием, расположены ниже по потоку, т.е. щель X1 расположена ниже по потоку от щели X и т.д. Входной патрубок 4 выполнен с конфузорным щелевым участком 15 поперек наружной 2 и внутренней 3 спиральных стенок корпуса 1. Проходная площадь S1 патрубка 8 для вывода пыли 9 составляет 0,04.. .0,08 от проходной площади S2 патрубка 10 для подвода пылевоздушной смеси 5. На фиг. 6 изображено также, что входной патрубок 4 имеет проходную площадь S2 за счет диффузорности в месте присоединения его к внутренней стенке 3 и к наружной стенке 2 корпуса 1, т.е. на выходе патрубок имеет щелевое сечение Т - Щ (фиг. 4). Кроме того, на фиг. 1 изображена ось вращения компрессора 16 и воздушный теплообменник 17. На фиг. 4, 6 изображена полость 18 очищенного воздуха 7, а на фиг. 6 - поперечная перегородка 19 на выходе спиральных стенок 2, 3 корпуса 1, образующих тупиковую полость P с патрубком 8 для вывода частиц пыли 9. A dust separator for pressurizing the bearings of a gas turbine engine with air contains a housing 1 with an external spiral wall 2 and an internal spiral wall 3, an inlet pipe 4 for introducing the dust-air mixture 5 into the housing 1, a pipe 6 for discharging purified air 7, a pipe 8 for discharging the separated dust particles 9 and a pipe 10 for supplying the dust-air mixture 5 to the inlet pipe 4. The inner spiral wall 3 is made two-layer with walls 11 and 12 (see Fig. 6) and forms slots X, Y, Z and X1, Y1, Z1 with the ends 13 and 14 of the spiral walls 11, 12, shifted one relative to each other in the radial direction. The ends 13 of the spiral walls 11, 12, directed against the flow of the dust-air mixture 5, are located upstream by an amount of t, t1, etc., and at a smaller radial distance R, R3, than the ends 14 of the walls 11, 12, directed along the dust-air flow mixtures 5 and having radial distances, respectively, R1, R2. Slots X1, Y1, Z1 in the radial walls 12, radially farther from the corresponding slots X, Y, Z in the walls 11 with a smaller radial distance, are located downstream, i.e. slot X1 is located downstream of slot X, etc. The inlet pipe 4 is made with a confuser slot portion 15 across the outer 2 and inner 3 spiral walls of the housing 1. The passage area S1 of the pipe 8 for dust removal 9 is 0.04 .. .0.08 from the passage area S2 of the pipe 10 for supplying the dust mixture 5 In FIG. 6 also shows that the inlet 4 has a passage area S2 due to diffusivity at the point of its connection to the inner wall 3 and to the outer wall 2 of the housing 1, i.e. the outlet pipe has a slotted section T - U (Fig. 4). In addition, in FIG. 1 shows the axis of rotation of the compressor 16 and the air heat exchanger 17. FIG. 4, 6 shows the cavity 18 of purified air 7, and in FIG. 6 - transverse partition 19 at the exit of the spiral walls 2, 3 of the housing 1, forming a deadlock cavity P with a pipe 8 for outputting dust particles 9.

Работает устройство следующим образом. От первых ступеней компрессора высокого давления отбирается воздух под давлением 3...7 кПа, в котором могут находиться абразивные частицы - пыль, песок и др. размером от 10 до 150 мкм, и поступает во входной патрубок 4, где дросселируется выходным сечением Щ - Т, поступает в спиральные каналы между стенками 2, 3, затем в каналы двухслойной внутренней стенки 11, 12, а далее в щели X, Y, Z и X1, Y1, Z1. Торцы 13, 14 стенок 11 образуют вихревые зоны обратных токов в щелях X, Y, Z сепарируют и отбрасывают твердые частицы 9 к стенкам 12 в щели X1, Y1, Z1. В щелях X1, Y1, Z1 за счет эжектирующего действия потока пылевоздушной смеси 5 частицы 9 подвергаются дополнительной сепарации, более тяжелые и крупные частицы направляются в наружный контур между стенками 2 и 12, а более легкие и мелкие остаются во внутреннем контуре между стенками 11 и 12. При этом обеспечивается устойчивость траекторий закрутки частиц пыли 9, их торможение вниз по потоку от щелей X, Y, Z и X1, Y1, Z1 и устойчивые траектории для перемещения частиц пыли 9 в полость P, где они эжектируются через патрубок 8 и выбрасываются в подкапотное пространство газотурбинного двигателя. Поток очищенного воздуха 7 поступает через щели X, Y, Z в полость 18, далее через патрубок 6 подается в теплообменник 17, где охлаждается воздухом наружного контура и поступает для наддува полостей подшипниковых опор. The device operates as follows. From the first stages of the high-pressure compressor, air is taken under a pressure of 3 ... 7 kPa, in which abrasive particles - dust, sand, etc. from 10 to 150 microns in size can be located, and enters the inlet pipe 4, where it is throttled by the outlet section Ш - T enters the spiral channels between walls 2, 3, then into the channels of the two-layer inner wall 11, 12, and then into the slots X, Y, Z and X1, Y1, Z1. The ends 13, 14 of the walls 11 form the eddy zones of the reverse currents in the slots X, Y, Z, separate and discard the solid particles 9 to the walls 12 in the slit X1, Y1, Z1. In slots X1, Y1, Z1, due to the ejecting action of the dust-air mixture flow 5, particles 9 undergo additional separation, heavier and larger particles are sent to the external circuit between walls 2 and 12, and lighter and smaller particles remain in the internal circuit between walls 11 and 12 This ensures the stability of the trajectories of the swirling dust particles 9, their braking downstream from the slots X, Y, Z and X1, Y1, Z1 and stable trajectories for moving the dust particles 9 into the cavity P, where they are ejected through the pipe 8 and ejected into the engine compartment is simple anstvo turbomachine. The stream of purified air 7 enters through the slots X, Y, Z into the cavity 18, then through the pipe 6 it is supplied to the heat exchanger 17, where it is cooled by the air of the external circuit and enters to pressurize the cavities of the bearing supports.

Источники информации
1. US, патент N 3811254, кл. B 01 D 45/12, 1972 г.Sources of information
1. US patent N 3811254, class. B 01 D 45/12, 1972

2. SU, авт. св. N 1337121 A1, кл. B 01 D 45/12, 1985 г. 2. SU, ed. St. N 1337121 A1, CL B 01 D 45/12, 1985

3. SU, авт. св. N 1724323 A1, кл. B 01 D 45/02, 1989 г. - прототип. 3. SU, ed. St. N 1724323 A1, cl. B 01 D 45/02, 1989 - prototype.

Claims (1)

Пылеотделитель для наддува воздухом подшипниковых опор, содержащий корпус с наружной и внутренней спиральными стенками, входной патрубок для ввода пылевоздушной смеси в корпус, патрубки для вывода очищенного воздуха и отделившейся пыли и патрубок для подвода пылевоздушной смеси к входному патрубку, отличающийся тем, что внутренняя спиральная стенка выполнена, по крайней мере, двухслойной с щелями, образованными торцами спиральных стенок и сдвинутыми одна относительно другой в радиальном направлении, причем торцы спиральных стенок, направленные против потока пылевоздушной смеси, расположены выше по потоку и на меньшем радиальном расстоянии, чем торцы стенок, направленные по потоку, а щели в спиральных стенках, радиально более удаленные от соответствующих щелей в стенках с меньшим радиальным расстоянием, расположены ниже по потоку, при этом входной патрубок выполнен с конфузорным щелевым участком поперек наружной и внутренней спиральных стенок, а проходная площадь патрубка для вывода пыли составляет 0,04 - 0,08 от проходной площади патрубка для подвода пылевоздушной смеси. A dust separator for pressurization of bearing bearings, comprising a housing with outer and inner spiral walls, an inlet pipe for introducing the dust-air mixture into the housing, nozzles for discharging the cleaned air and separated dust, and a pipe for supplying the dust-air mixture to the inlet pipe, characterized in that the inner spiral wall made at least two-layer with slots formed by the ends of the spiral walls and shifted one relative to the other in the radial direction, and the ends of the spiral walls on directed against the flow of the dust-air mixture, are located upstream and at a smaller radial distance than the ends of the walls directed downstream, and the slots in the spiral walls radially farther from the corresponding slots in the walls with a smaller radial distance are located downstream the inlet pipe is made with a confuser gap section across the outer and inner spiral walls, and the passage area of the pipe for dust extraction is 0.04 - 0.08 from the passage area of the pipe for supplying dusty air and.

Images