Пневматическое устройство и циклонный фильтр для него

Пневматическое устройство и циклонный фильтр для него, предназначены для систем автоматического регулирования газотурбинных двигателей.

В устройстве, в канале подвода воздуха к рабочему блоку за сетчатым фильтром, установлен циклонный фильтр (ЦФ). Диаметр входного сопла ЦФ равен 1...4 диаметра сопла питания, пропускающего при критическом режиме истечения расход воздуха равный расходу через канал подвода воздуха к рабочему блоку. Воздух с давлениями Рк и Рвент проходит через сетчатые фильтры, где отделяются частицы пыли с размерами более 0,2 мм. Затем воздух с давлением Рк проходит через ЦФ, где после дополнительной очистки поступает в рабочий блок. Дополнительная очистка воздуха снижает эрозионный износ деталей рабочего блока, повышается надежность и ресурс пневматического устройства.

2 н.з и 9 з.п. ф.лн, 3 ил.

Предлагаемые устройства относятся к пневмоавтоматике и могут быть использованы в системах автоматического регулирования (CAP) газотурбинных двигателей (ГТД).

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является регулятор перепуска воздуха из компрессора вспомогательной силовой установки (см. свидетельство РФ на полезную модель РФ 50265, кл. F04D 27/00, 2005 г), содержащий корпус с двумя каналами подвода воздуха к рабочему блоку, включающему делитель величины абсолютного давления, соединенный с первым каналом подвода воздуха (с давлением Р_К - полным давлением на входе в расходомер, например, трубу Вентури), струйный элемент сравнения, первое входное сопло которого соединено с делителем величины абсолютного давления, а второе входное сопло соединено со вторым каналом подвода воздуха (с давлением Р_ВЕНТ - статическим давлением в мерном сечении расходомера, например, трубы Вентури), усилитель, имеющий входные каналы, соединенные с выходными каналами элемента сравнения, и выходные каналы, служащие для соединения с управляющими каналами исполнительного устройства - клапана перепуска воздуха. В корпусе регулятора перепуска воздуха из компрессора ВСУ выполнен перепускной дроссель, вход которого соединен с первым каналом подвода воздуха, а выход - со вторым каналом подвода воздуха.

Входные каналы Р_К и Р_ВЕНТ регулятора перепуска воздуха из компрессора ВСУ содержат сетчатые фильтры для фильтрации входящего воздуха.

Недостатком прототипа является подверженность деталей регулятора перепуска воздуха из компрессора вспомогательной силовой установки эрозионному износу, так как там обычно применяются входные сетчатые фильтры с ячейкой сетки 0,2×0,2 мм, вследствие чего частицы пыли размером до 0,2 мм не задерживаются данными сетчатыми фильтрами. Эти частицы пыли, попадая во внутренние полости регулятора,

проходят по каналам струйных элементов и в результате длительной работы при высоких температурах (до 600°С) происходит изменение размеров и формы струйных элементов (эрозионный износ).

Дополнительно можно отметить, что такого типа сетчатые фильтры нельзя использовать, например, для наддува газостатических подшипников, вследствие малой величины рабочих зазоров газостатических подшипников - порядка 0,05 мм, а уменьшение размеров ячейки сетчатого фильтра ведет к существенному увеличению веса и габаритов устройства, особенно при высоких температурах рабочего воздуха.

Применение только сетчатых фильтров препятствует дальнейшей миниатюризации жиклеров и струйных элементов, работающих при высоких температурах.

Техническим результатом, на достижение которого направлена данная полезная модель, является устранение эрозионного износа деталей рабочего блока и уменьшение вероятности (возможности) его засорения.

Для достижения указанного технического результата в пневматическом устройстве, содержащем канал (каналы) подвода воздуха с сетчатым фильтром, рабочий блок с вентиляционным каналом (каналами), канал (каналы) отвода воздуха к исполнительному устройству (устройствам), кроме того, дополнительно в канал (каналы) подвода воздуха после сетчатого фильтра установлен циклонный фильтр (ЦФ).

Отличительные признаки, а именно, установка дополнительно в канале (каналах) подвода воздуха после сетчатого фильтра циклонного фильтра, содержащего входное сопло, рабочую камеру с вентиляционным отверстием и выходное сопло, причем диаметр входного сопла ЦФ равен 1...4 диаметра сопла, пропускающего при критическом режиме истечения расход воздуха, равный расходу через соответствующий канал подвода воздуха к рабочему блоку, позволяют очистить входящий в пневматическое устройство воздух от пыли, и следовательно, уменьшить (устранить) эрозионный износ деталей рабочего блока пневматического устройства.

Вентиляционное отверстие циклонного фильтра может быть соединено каналом с одним из вентиляционных каналов рабочего блока,

Канал, соединяющий вентиляционное отверстие ЦФ с одним из вентиляционных каналов рабочего блока, например, может быть выполнен диаметром 1...10 диаметра вентиляционного отверстия.

Сброс частиц пыли в вентиляционные каналы предназначен для исключения выброса пыли в атмосферу в ненужных местах и отложения слоев пыли на наружной поверхности пневматического устройства.

Известны устройства - системы воздухоочистки тракторных двигателей, в которых для предотвращения изнашивания узлов и деталей в канал подвода воздуха устанавливают циклонные фильтры

[см. Дьяков Р.А. Воздухоочистка в дизелях. Л., «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние) 1975. Стр.82, таблица 26, размеры циклонов].

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является циклонный фильтр, входящий в воздухоочиститель тракторного двигателя СМД-14. Циклонный фильтр содержит рабочую камеру с диаметром Д, входное сопло (сечение которого - овал размером h×b), выполненное по касательной в верхней части рабочей камеры, и выходное сопло Д₂, выполненное на общей оси с рабочей камерой.

Рабочая камера выполнена в верхней части цилиндрической с длиной Н, а в нижней - конической, длиной H₁, и в нижней части конуса выполнено вентиляционное отверстие Д ₁. Вход в выходное сопло расположен внутри рабочей камеры на глубине Н₂.

Недостатком такого циклонного фильтра при использовании его в пневматических устройствах, работающих при повышенных давлениях рабочего воздуха (2...50 ата), является повышенный расход воздуха в дренаж, вследствие относительно большого диаметра вентиляционного отверстия Д₁, равного 0,50...0,87 от внутреннего диаметра Д циклонного фильтра.

Техническим результатом, на решение которого направлен заявляемый циклонный фильтр, является устранение эрозионного износа деталей пневматических устройств, достигаемое эффективной очисткой входящего потока воздуха от пыли при небольшом расходе воздуха в дренаж. Предлагаемый циклонный фильтр содержит рабочую камеру, в верхней цилиндрической части которой расположено входное сопло, выполненное по касательной к боковой стенке рабочей камеры, выходное сопло расположено по оси цилиндрической камеры в верхней ее части, а нижняя ее часть выполнена конусной, причем в нижней части конуса выполнено вентиляционное отверстие.

Отличительные признаки, а именно, диаметр вентиляционного отверстия ЦФ, выполненный равным 0,025...0,5 диаметра входного сопла, а выходное сопло - диаметром, равным 1...10 диаметра входного сопла, позволяют производить эффективную очистку входящего в ЦФ потока воздуха от пыли при малом расходе воздуха в вентиляционное отверстие ЦФ.

Высота цилиндрической части рабочей камеры ЦФ может быть равна 1...10 диаметра входного сопла.

Диаметр цилиндрической части рабочей камеры ЦФ может быть равен 4...16 диаметра входного сопла.

Вход в выходное сопло ЦФ может быть расположен внутри рабочей камеры, на расстоянии от верхней части (поверхности) рабочей камеры не менее 0,2 диаметра входного сопла.

Верхняя часть (поверхность) рабочей камеры ЦФ может быть выполнена конусной с тупым углом конуса, направленным внутрь рабочей камеры.

Ось входного сопла ЦФ может быть направлена по касательной к поверхности цилиндра цилиндрической части рабочей камеры и расположена под углом к оси цилиндра (с направлением в сторону вентиляционного отверстия).

Верхняя часть (поверхность) цилиндрической части рабочей камеры ЦФ может быть выполнена по винтовой линии с шагом, равным 1±0,5 диаметра входного сопла.

Каналы подвода воздуха к входному соплу и от выходного сопла ЦФ могу быть равны 1...10 соответствующего диаметра входного или выходного сопла.

Проведенные испытания заявляемого пневматического устройства с циклонным фильтром с оптимальными из указанных ранее параметров показали, что эффективность очистки входящего потока запыленного воздуха составляет не менее 98% при минимальном расходе воздуха в вентиляционное отверстие (потери полного давления на ЦФ не превышают 1%).

Предложенная полезная модель иллюстрируются чертежами, где на Фиг.1 показана схема пневматического устройства с циклонным фильтром на входе. На Фиг.2 показана другая схема пневматического устройства с циклонным фильтром, вентиляционное отверстие которого соединено каналом с одним из вентиляционных каналов струйного блока. Конструкция циклонного фильтра очистки воздуха представлена на Фиг.3.

Пневматическое устройство (см. Фиг.1) содержит каналы 1 и 2 подвода воздуха (с давлениями Р_ВЕНТ и Р_К от расходомера переменного перепада, например, трубы Вентури или другого типа, измеряющего расход воздуха, отбираемого от компрессора) к рабочему блоку 3, например, содержащему струйный блок (элемент сравнения с одним или более струйным усилителем и/или другими элементами) с вентиляционными каналами 4, выходными каналами 5 отвода воздуха к управляющим каналам исполнительных устройств. Перед рабочим блоком 3 в каналах подвода воздуха 1 и 2 установлены сетчатые фильтры 6. В канале подвода воздуха 2 (с давлением Рквд) после сетчатого фильтра 6 установлен циклонный фильтр 7 (ЦФ), содержащий входное сопло, рабочую камеру с вентиляционным отверстием и выходное сопло, причем диаметр входного сопла ЦФ равен 1...4 диаметра сопла, пропускающего при критическом режиме истечения расход воздуха, равный расходу через соответствующий канал подвода воздуха к рабочему блоку. Вход в ЦФ 7 соединен с каналом подвода воздуха 2, выход - с входом в рабочий блок 3, а вентиляционное отверстие сообщено с атмосферой.

Пневматическое устройство может быть выполнено таким образом (см. Фиг.2), что вентиляционное отверстие ЦФ 7 каналом 8, соединено с одним из вентиляционных каналов 4 рабочего блока 3, причем канал 8 может быть выполнен диаметром 1...10 диаметра вентиляционного отверстия ЦФ.

Циклонный фильтр (см. Фиг.3) сдержит рабочую камеру 9, в верхней цилиндрической части которой расположено входное сопло 10, выполненное по касательной к боковой стенке рабочей камеры 9, выходное сопло 11 расположено по оси цилиндрической камеры в верхней ее части, нижняя часть рабочей камеры 9 выполнена конусной, и в нижней части конуса выполнено вентиляционное отверстие 12. Диаметр вентиляционного отверстия 12 равен 0,025...0,5 диаметра входного сопла 10, а выходное сопло 11 выполнено диаметром, равным 1...10 диаметра входного сопла 10.

Высота цилиндрической части рабочей камеры 9 циклонного фильтра может быть равна 1...10 диаметра входного сопла 10.

Диаметр цилиндрической части рабочей камеры 9 может быть равным 4...16 диаметра входного сопла 10.

Вход в выходное сопло 11 может быть расположен внутри рабочей камеры 9 на расстоянии от верхней части (поверхности) рабочей камеры не менее 0,2 диаметра входного сопла 10.

Верхняя часть (поверхность) рабочей камеры 9 может быть выполнена конусной с тупым углом конуса, направленным внутрь рабочей камеры.

Ось входного сопла 10 может быть направлена по касательной к поверхности цилиндра цилиндрической части рабочей камеры 9 и расположена под углом к оси цилиндра (с направлением в сторону вентиляционного отверстия 12).

Верхняя часть (поверхность) цилиндрической части рабочей камеры 9 может быть выполнена по винтовой линии с шагом, равным 1±0,5 диаметра входного сопла 10.

Каналы подвода воздуха к входному соплу 10 и каналы отвода воздуха от выходного сопла 11 могут быть равны 1...10 соответствующего диаметра входного сопла 10 или выходного сопла 11.

Входное сопло 10 и выходное сопло 11 с наружной части для удобства присоединения воздушных каналов могут быть выполнены с резьбой.

Работа циклонного фильтра (см. Фиг.3) происходит следующим образом. Через входное сопло 10 запыленный воздух по касательной заходит в цилиндрическую часть рабочей камеры 9 циклонного фильтра. При движении по окружности цилиндрической части рабочей камеры 9 поток воздуха закручивается, и частицы пыли центробежной силой потока прижимаются к внутренним стенкам рабочей камеры 9. Вновь входящий поток воздуха смещает движущиеся по окружности частицы пыли из цилиндрической части в коническую часть рабочей камеры 9 ЦФ, и, продолжая вращаться, они движутся по образующим конуса к вентиляционному отверстию 12, через которое и покидают циклонный фильтр. Очищенный воздух выходит в выходное сопло 11, расположенное на оси ЦФ.

Представленное пневматическое устройство (см. Фиг.1) работает следующим образом. Воздух с давлениями, например, Р_ВЕНТ и Р_К проходит по каналам подвода 1 и 2, через сетчатые фильтры 6 (ячейка сетки 0,2×0,2 мм), где отделяется пыль более 0,2 мм, далее воздух с давлением Р_К проходит через циклонный фильтр 7, где происходит отделение частиц пыли менее 0,2 мм из потока воздуха. Отделенная пыль сбрасывается через вентиляционное отверстие 12 в атмосферу, а очищенный воздух проходит в рабочий блок 3 (струйный блок), где на элементе сравнения и на усилителях, например, струйного типа и/или других элементах формируется выходной сигнал, который по выходным каналам 5 подается в управляющие каналы исполнительных устройств (например, клапана перепуска воздуха, пневматического цилиндра, газостатического подшипника). В результате исполнительные устройства совершают движение в соответствии с заданной функцией. Часть отработавшего воздуха выходит в атмосферу через вентиляционные каналы 4 рабочего блока 3.

Работа пневматического устройства, представленного на Фиг.2, отличается тем, что отделенная в циклонном фильтре 7 пыль выходит через вентиляционное отверстие не в атмосферу как на Фиг.1, а по каналу 8 проходит в один из вентиляционных каналов 4 рабочего блока 3. Выход воздуха из рабочего блока 3 может быть выполнен конструктивно объединенным (централизованным).

Таким образом, использование в пневматических устройствах данного циклонного фильтра позволяет удалить из воздуха не менее 98% частиц пыли при допустимом расходе воздуха в дренаж и уменьшить эрозионный износ деталей, обеспечивая их работу без засорения, в результате чего может быть получено значительное повышение надежности и увеличение ресурса работы пневматических устройств.

1. Пневматическое устройство, содержащее канал (каналы) подвода воздуха с сетчатым фильтром, рабочий блок с вентиляционным каналом (каналами), выходной канал (каналы) отвода воздуха к исполнительному устройству (устройствам), отличающееся тем, что дополнительно в канале (каналах) подвода воздуха после сетчатого фильтра установлен циклонный фильтр (ЦФ), содержащий входное сопло, рабочую камеру с вентиляционным отверстием и выходное сопло, причем диаметр входного сопла ЦФ равен 14 диаметра сопла, пропускающего при критическом режиме истечения расход воздуха, равный расходу через соответствующий канал подвода воздуха к рабочему блоку.

2. Пневматическое устройство по п.1, отличающееся тем, что вентиляционное отверстие ЦФ соединено каналом с одним из вентиляционных каналов рабочего блока.

3. Пневматическое устройство по п.2, отличающееся тем, что канал, соединяющий вентиляционное отверстие ЦФ с одним из вентиляционных каналов рабочего блока, выполнен диаметром 110 диаметра вентиляционного отверстия.

4. Циклонный фильтр, содержащий рабочую камеру, в верхней цилиндрической части которой расположено входное сопло, выполненное по касательной к боковой стенке рабочей камеры, выходное сопло расположено по оси цилиндрической камеры в верхней ее части, нижняя часть рабочей камеры выполнена конусной, причем в нижней части конуса выполнено вентиляционное отверстие, отличающийся тем, что диаметр вентиляционного отверстия ЦФ равен 0,0250,5 диаметра входного сопла, а выходное сопло выполнено диаметром, равным 110 диаметра входного сопла.

5. Циклонный фильтр по п.4, отличающийся тем, что высота цилиндрической части рабочей камеры равна 110 диаметра входного сопла.

6. Циклонный фильтр по п.4, отличающийся тем, что диаметр цилиндрической части рабочей камеры равен 416 диаметра входного сопла.

7. Циклонный фильтр по п.4, отличающийся тем, что вход в выходное сопло расположен внутри рабочей камеры на расстоянии от верхней части (поверхности) рабочей камеры не менее 0,2 диаметра входного сопла.

8. Циклонный фильтр по п.4, отличающийся тем, что верхняя часть (поверхность) рабочей камеры выполнена конусной с тупым углом конуса, направленным внутрь рабочей камеры.

9. Циклонный фильтр по п.4, отличающийся тем, что ось входного сопла направлена по касательной к поверхности цилиндра цилиндрической части рабочей камеры и расположена под углом к оси цилиндра (с направлением в сторону вентиляционного отверстия).

10. Циклонный фильтр по п.4, отличающийся тем, что верхняя часть (поверхность) цилиндрической части рабочей камеры выполнена по винтовой линии с шагом, равным 1±0,5 диаметра входного сопла.

11. Циклонный фильтр по п.4, отличающийся тем, что каналы подвода воздуха к входному соплу и от выходного сопла равны 110 соответствующего диаметра входного или выходного сопла.