过滤装置 本申请是申请号为00817207.2、申请日为2000年11月9日的专利申请的分案申请。
【技术领域】
本发明描述了用来过滤诸如气体和液体的流体的过滤装置。特别是，本发明描述了一种过滤元件、一前置过滤器、一壳体、以及特别用于燃气涡轮系统的方法。
背景技术
燃气涡轮系统可用于发电。这种类型的系统的特别方便之处在于，它们可快速制造；它们也是令人满意的，因为它们比煤或油基涡轮系统产生更少的有害排发物。燃气涡轮利用空气达到燃烧目的。由于这种类型系统里的精密运动部件，燃烧空气需要净化。为了确保净化空气供燃烧，已使用空气过滤器来净化进入燃气涡轮系统的空气。在现有技术的系统里，使用一系列的平板过滤器来净化进入的空气。由于系统变得越来越复杂，需要更净化的空气。这导致成本增加。
因此，对进入燃气涡轮系统地空气进行净化的装置和方法加以改进是需要的。
【发明内容】
本发明提供一种过滤装置，包括第一过滤元件，它具有相对的第一端和第二端；在第一端和第二端之间的轴向长度；以及形成一凹槽结构的许多凹槽；各凹槽具有靠近第一过滤元件第一端的第一端部，以及靠近第一过滤元件第二端的第二端部；凹槽的选定的一组在第一端部处敞开而在第二端部处封闭；而凹槽选定的另一组在第一端部处封闭而在第二端部处敞开；凹槽结构具有一中心芯子；第一过滤元件具有一非圆形的横截面，该横截面具有两相对弧形端部，两弧形端部由线段连接；还包括一环绕第一过滤元件的套管件；套管件具有与第一过滤元件的横截面相配的横截面；套管件具有一壁，其长度延伸大于第一过滤元件的轴向长度的50％；还包括从套管件径向延伸并完全环绕着套管件的一密封件加压凸缘；密封件加压凸缘包括相对的第一和第二轴向表面；密封件加压凸缘从套管件的壁径向延伸至少2.5毫米(0.1英寸)的距离；还包括一密封件，它靠着密封件加压凸缘的第一轴向表面而设置，从而在安装于一过滤系统中时于密封件加压凸缘和过滤系统之间形成密封；密封件加压凸缘作为止挡物支承密封件。
该过滤装置尤其可用于燃气涡轮系统。
【附图说明】
图1是用于燃气涡轮系统的进气系统的一实施例的示意图，该燃气涡轮系统具有按照这里所述的原理构造的空气过滤装置。
图2是一安装在管板里空气过滤装置的一个实施例的示意的前视图，以便看清初级过滤元件。
图3是图2所示的空气过滤装置的示意的后视图，以便看清前置过滤元件。
图4是安装在管板里的图2和3所示的空气过滤装置的示意的侧视图。
图5是图2-4中的空气过滤装置沿图3中的5-5线的示意的、局部的、放大的剖视图。
图6是用来将图2-4中的空气过滤装置安装在管板里的闩锁的一个实施例的示意的、放大的俯视图。
图7是图2-4中的空气过滤装置的示意的立体图，它已从管板中取出，以便看清初级过滤元件。
图8是图7中的空气过滤装置的示意的前视图，以便看清初级过滤元件。
图9是图7和8中的空气过滤元件的俯视图。
图10是一夹子和一套管的示意的、分解的、放大的立体图，以便用来固定图2-4和7-9中的空气过滤装置使用的过滤元件。
图11是图2-4和7-9中的空气过滤装置使用的前置过滤器的一个实施例的示意的俯视图。
图12是图11中的前置过滤器的示意的侧视图。
图13是图11和12中的前置过滤器的示意的仰视图。
图14是用于图2-4和7-9中的空气过滤装置的一前置过滤器的另一实施例在组装过程中的示意的俯视图。
图15是组装图14中的前置过滤器的另一步骤的示意的俯视图。
图16是可用于图2、7和8所示的初级过滤元件的一部分过滤介质的一个实施例的示意的立体图。
【具体实施方式】
A.图1，使用的系统
这里所述的空气清洁装置和结构可用于许多系统。图1显示了一种具体的系统，即用标号20示意地表示的燃气涡轮系统。
在图1中，用箭头23表示的气流被显示吸入一进气系统22。进气系统22包括多个通常安装在管板36里的空气过滤装置24。在较佳的系统里，管板36将被制成以相对一垂直轴线成一角度安装过滤装置24。较佳的角度将在5-25度之间，例如约7度。这样，当系统20不工作时允许液体从过滤装置24上滴落。
空气在空气过滤装置24里被净化，然后，它沿着箭头26向下游流动进入燃气涡轮发电机28，它们在那里产生电力。
B.空气过滤装置综述
用于系统20的空气过滤装置24的一个例子如图2-4所示。通常，空气过滤装置24包括第一或初级过滤元件30及作为前置过滤器的第二过滤元件32。这里所用了术语“前置过滤器”，它意味着是一位于主要的、初级过滤元件30的上游的除尘器，其功能是用来去除气流里的大颗粒。初级过滤元件30在图2中可看到，而前置过滤器32在图3中可看到。初级过滤元件30和前置过滤元件32较佳的是固定在一套管件34里，而套管件34可拆卸地安装在管板36的一个孔38里。通常，气流通过进气系统22进入，首先流动经过前置过滤元件32，然后经过初级过滤元件30。在退出初级过滤元件30后，空气进入发电机28。
C.初级过滤元件
现在参看图2、5和7，初级过滤元件30被制造成允许笔直流动通过。这里使用了术语“笔直流动通过”，其含义是流体直接流动通过过滤元件30，在进口表面40进入而在相反设置的出口表面42退出，其中，流体流动进入进口表面40的方向与流体流出出口表面42的方向相同。在图2中，应该理解，出口表面42是示意地显示的。即，只有一部分表面42被显示有凹槽。应该知道，在传统的系统里整个表面42将被开槽。
过滤元件30具有第一端44和相反的第二端46。在图2所示的装置里，第一端44将与上游端进口表面40对应，而第二端46将与下游端出口表面42对应。笔直流动通过允许气体流入第一端44并从第二端46退出，这样，空气流动进入第一端44的方向与空气流动退出第二端的方向相同。笔直流动通过的模式可减少在气流中的紊流量。
参看图16。图16是论证可用于初级过滤元件30的某些较佳介质的工作原理的示意的立体图。在图16中，用凹槽结构形式表示的过滤介质通常用标号50表示。较佳的是，有凹槽的结构50包括：具有许多凹槽54的波纹层52和面板56。图16中的实施例显示了两块面板56A(在波纹层52的上面)和56B(在波纹层52的下面)。通常，较佳的凹槽结构50将包括固定在下部面板56B上的波纹层52。当所用卷起状态的这种凹槽结构50时，它通常环绕着自身卷拢，而其下部面板56B将覆盖波纹层52的上部。覆盖波纹层52上部的面板56用标号56A表示。应该知道，面板56A和56B是相同的板56。
当所用这种类型的凹槽结构50时，凹槽腔58较佳的是形成交替的波峰60和波谷62。波谷62和波峰60将凹槽划分为两排，一排与另一排相邻(在图16中，覆盖或在另一排上部)。在图16所示的特定结构里，上部凹槽形成在下游端被封闭的凹槽腔64，而具有被封闭的上游端的凹槽腔66形成下排凹槽。凹槽腔66由第一端部填塞物68封闭，第一端部填塞物68充填在凹槽板52和第二面板56B之间的凹槽的上游端的一部分。同样的，第二端部填塞物70封闭交替的凹槽腔64的下游端。
当使用由凹槽结构50形成的介质时，在使用过程中，未过滤的流体、诸如空气沿着阴影箭头72所示的方向进入凹槽腔64。凹槽腔64具有敞开的上游端74。未过滤的流体流不能经过凹槽腔64的下游端76，因为下游端被第二端部填塞物70封闭。因此，流体被迫通过凹槽板52或面板56。当未过滤的流体通过凹槽板52或面板56时，该流体被净化或过滤。被净化的流体用无阴影的箭头78表示。然后，流体经过上游端80被封闭的凹槽腔66，通过敞开的下游端离开凹槽结构50。利用所示的结构，未过滤的流体可流动通过凹槽板52、上部面板56A或下部面板56B，并进入凹槽腔66。
凹槽结构50通常被卷绕成一卷筒形状，如图7所示。有许多方法可用来卷绕凹槽结构50。凹槽结构50可卷绕在一中心芯子上，或者凹槽结构50也可以是无芯的。再参看图2、7和8，可看到过滤元件30的横截面形状通常是圆形的。在其它的实施例里，横截面也可以是非圆形的，诸如“非圆形”或“赛马跑道形状”。所谓的“非圆形”或“赛马跑道形状”的意思是，过滤元件将形成一弧形(在某些实施例是半圆形)端部和一相对的弧形(在某些实施例是半圆形)端部。而这两弧形端部由一对直线段连接。
介质50可是聚酯合成介质、由纤维素或这些类型材料的混合物形成的介质。可使用的纤维素介质的一个例子是：约45-55磅/3000英尺2(84.7克/米2)、例如48-54磅/3000英尺2的基本重量；约0.005-0.015英寸、例如约0.010英寸(0.25毫米)的厚度；约20-25英尺/分钟、例如约22英尺/分钟(6.7米/分钟)的渗透性；约55-65微米、例如约62微米的孔径尺寸；至少约7磅/英寸、例如8.5磅/英寸(3.9公斤/英寸)的湿抗拉强度；约1 5-25磅/英寸2、例如23磅/英寸2(159千帕)的机械去湿破裂强度。纤维素介质可用细纤维、例如具有5微米或更小的、在某些例子里是亚微型的纤维精制。如果需要使用细纤维，可用许多方法使细纤维形成介质。其中的一些方法在美国专利第5,423,892号的第32栏48-60行里有描述。更具体地说，美国专利第3,878,014号、第3,676,242号、第3,841,953号和第3,849,241号描述了这些方法，它们在这里被参考引用。一种可供选择的方法是一个商业秘密方法，它包括位于传统的介质上的细聚合纤维网，它是利用唐纳森公司的商业秘密实施的，名称为ULTRA-WEB。至于该过滤元件的结构，如果希望使用细纤维，对于下面的事项没有特别的优先选择：细纤维是怎样制造的；以及使用什么方法施加细纤维。通常施加足够的细纤维，直至产生的介质结构具有下述性能：利用SAE微尘、按照SAE J726C测试、在90％以下的非个体测试的平均99.5％的最初效率；以及按照SAE J726C测试的、平均99.98％的总效率。
美国专利第5,820,646号描述了可使用的过滤结构的例子，该专利在这里被参考引用。
D.前置过滤元件
参看图3和11-13。它们显示了前置过滤元件32。较佳的是，前置过滤元件32是一折叠结构90，它包括许多单个褶92。褶92以锯齿形排列。从图3、11和13中可看到，较佳的前置过滤元件32将具有通常是圆形的横截面。
前置过滤元件32的结构允许笔直流动通过。换句话说，气流直接通过前置过滤元件32，在进口表面94处进入，而在相反设置的出口表面96处离开，其中，流体流进入进口表面94的方向与流体流离开出口表面96的方向相同。
在某些较佳的实施例里，有至少15个褶92，不大于80个褶92，通常是30-50个褶92。折叠结构90由介质98制成，它被折叠成褶92而环绕着中心芯子100堆置在中心。介质98可使用的类型包括玻璃纤维或气流铺置介质。可使用的介质98的具体性能包括：由随便取向、以形成具有2.7-3.3盎司/码3(92-112克/米3)重量的网的聚酯纤维制成的干铺置过滤媒介；0.25-0.40英寸(6.4-10.2毫米)的自由厚度(即在0.002磅/英寸2压缩时的厚度)；以及至少400英尺/分钟(122米/分钟)的渗透性。
较佳的前置过滤元件32将包括至少在下游侧96处的过滤器支承或衬垫102。过滤器支承或衬垫102可由塑料或金属制成的扩展的丝网构成。应该知道，图11只是示意地显示了衬垫102。图11显示了只在出口表面96某一部分上的衬垫102。这是象征衬垫102覆盖着整个出口表面96。在某些替换的实施例里，进口表面94也可具有过滤器支承或衬垫。
仍参看图11，在所示的前置过滤元件32里，具有用来维持前置过滤元件32呈圆形折叠结构90的粘结剂104。特别是，密封剂104可是热熔的熔珠106，在折叠结构90形成圆形构造后涂覆到折叠结构90。熔珠106凝固并有助于折叠结构90保持圆形构造。
通常，前置过滤元件32可移动和可拆卸地安装在套管件34里。套管件34将在下面详细介绍。在某些系统里，前置过滤元件32通过相对套管件34的内壁挤压或压缩介质98的末端部108而安装在套管件34里。换句话说，初级过滤元件32较佳的是成为具有原始的自由形态的最外侧尺寸，其最外侧尺寸(在这里是直径)大于套管件34的内径。当放置在套管件34里时，介质98的末端部108在套管件34的内壁和衬垫102的端部之间被挤压、压缩、弯曲或粉碎。
图14和15显示了前置过滤元件120的另一实施例。前置过滤元件120类似于前置过滤元件32，类似之处在于，它包含单个褶124的折叠结构122。前置过滤元件120的组装不同于前置过滤元件32。在该实施例里，前置过滤元件120是通过将一片介质126折叠成一系列褶124构成的。这形成了折叠介质的矩形片128。将片128插入包含聚氨酯的模子里。聚氨酯被固化，形成一可压缩的聚氨酯的实心的矩形端部130。然后，面板132可被组装成前置过滤元件120。
参看图15。图15显示了将面板132组装成前置过滤元件120的步骤。端部130收缩在一起，形成芯子134。然后，端部褶136和138沿着箭头140和142的方向相对移动。这样，折叠的面板132展开扇形而形成一圆形前置过滤元件120。然后用一夹子将端部褶136和138连接在一起。
这种前置过滤元件120是方便的，方便之处在于，该前置过滤元件可以面板132的形状储存和输送给最终使用者。就在安装前，可将面板132展开，以便形成最终的圆形前置过滤元件120。
E.套管件和夹持系统
按照这里所述的原理构造的较佳的过滤装置24将具有固定和约束初级过滤元件30的套管件34。
通常，套管件34的作用是用来将初级过滤元件30固定在进气系统22里。较佳的套管件34也将前置过滤元件32固定在初级过滤元件30的上游。
参看图7-9。一较佳的套管件34被用来固定初级过滤元件30。从图7和8中可看到，套管件34较佳的是具有与初级过滤元件的横截面配合的横截面。在这里，初级过滤元件30具有一般的圆形横截面；因此，较佳的套管件34具有一般的圆形横截面。应该知道，在其它的实施例里，初级过滤元件30也可具有不同形状的横截面。在这种情况下，套管件34将具有与过滤元件30的横截面相配的横截面。
从图5中可看到，套管件34包括包括一环形壁150，它被弯曲而形成一环形环152。壁150具有从端部153(在这里，它与初级过滤元件30的出口表面42或第二端46是平齐的)到相对端部154延伸的长度。套管件34较佳的是相对初级过滤元件30取向，以便延伸至初级过滤元件30的轴向长度的至少30％。在许多传统的装置里，套管件34将延伸至大于初级过滤元件30的轴向长度的50％。的确，在绝大多数较佳的装置里，套管件34将延伸至初级过滤元件30的轴向长度的至少全部(即，100％)长度。在许多典型的应用中，套管件34将具有至少10英寸(25.4厘米)、通常15-30英寸(38.1-76.2厘米)、在某些情况下不大于50英寸(127厘米)的半径。
套管件34较佳的是构成和布置成一密封系统，以便将初级过滤元件30固定在管板36上，而不允许非预定量的空气绕过初级过滤元件30。在图3、5和7-9所述的装置里，套筒件34包括一密封件加压凸缘160。凸缘160至少部分地、在大多数较佳实施例里是完全环绕着套筒件34的壁150。的确，在大多数较佳实施例里，凸缘160是用壁150挤压而成的，并形成单一挤压物151，然后，将其弯曲成与初级元件30的横截面形状相配的形状。密封件加压凸缘160作为止挡物支承密封件162，以便在凸缘160和管板36之间建立密封164。较佳的是，凸缘160从套管件34的壁150径向延伸，并完全环绕着套管件34。凸缘160从壁150径向延伸一个足以支承密封件162的距离。通常，这个距离将是至少0.1英寸(0.25厘米)，通常是0.25-2英寸(0.64-5.1厘米)，而在某些实施例里可延伸至不大于10英寸(25.4厘米)。
如上所述，较佳的是，凸缘160和套管件34的其余部分是用单片材料挤压而成的。在许多应用里，用塑料、诸如耐冲性聚苯乙烯挤压出套管件34和凸缘160是非常方便的。挤压成形后，带有延伸凸缘160的壁150被切割至所需的长度。带有延伸凸缘160的壁150被弯曲成圆弧形状，以便支承初级过滤元件30。这种弯曲可通过冷轧法实现。挤压物151的端部166和168在这种情况下不连接在一起。
参看图10。图10显示了带有互相邻接的端部166和168的壁150。在将挤压物151的端部166和168推在一起前，将初级过滤元件30安装在套管件34里。在某些用途里，初级过滤元件30具有涂覆在其外壁上的粘结剂；或者，粘结剂涂覆在壁150的内表面上；或者，粘结剂同时涂覆在初级过滤元件30的外表面和壁150的内表面上。然后，将初级过滤元件30安装在由套管件34形成的孔170里。然后，一夹持装置以互相相对的方式推压端部166和168，使它们邻接啮合而形成接缝174。然后，将一补丁或保持夹172放置在接缝174上，在此最终形状(在图示的例子里，是一般的圆形)下固定套管件34。较佳的是，保持夹172是以永久的方式固定在套管件34上。例如，保持夹172可通过超声波焊接固定在壁150上。
可以看到，保持夹172构造成重叠在端部153和154之间的全部接缝174上。即，保持夹172具有与端部153平齐的端部176。保持夹具有与端部154平齐的端部178。保持夹172还具有在端部176和178之间的凸起180，该凸起180与凸缘160重叠并啮合。凸起180的较佳形状是具有与凸缘160啮合的凹槽182。在图10所示的实施例里，凸起180是U形。
参看图5。可以看到凸缘160包括相对的第一和第二轴向侧面190和192。轴向侧面之一、在此是侧面190支承密封件162。密封件162通常包括一圆形衬垫194。衬垫194较佳的是通过在衬垫194和凸缘160的侧面190之间的粘结剂固定在凸缘160上。衬垫194位于凸缘160上，这样，衬垫194完全限制了壁150和初级过滤元件30。
所示的装置还包括一将套管件34夹紧在管板36上的系统。在图3、5和6所示的实施例里，该夹紧系统包括多个挡器或夹子200。当套管件34可操作地安装在管板36上时，应该有足够的挡器或夹子200在凸缘160和管板36之间形成良好的紧贴的密封164。在图3所示的实施例里，有4个夹子200。各夹子200沿凸缘160的外周径向均匀间隔。在其它的实施例里，也可以有4个以上的夹子200，例如6-10个。在某些其它实施例里，可有少于4个的夹子200。
参看图5和6。在图5中，用剖视图显示了夹子200。各夹子200包括一控制杆202、一凸头204和一平板206。平板206包括小孔208和210，以便接纳一紧固件、诸如螺钉212，将夹子200固定在管板36上。
凸头204在凸缘160上施加压力和将密封件162压在管板36上。控制杆202可有选择地使凸头204移向和移离管板36。例如，当在管板36里安装过滤装置24时，可用人的拇指或手压下控制杆202，使凸头204沿离开管板36的方向移动。这样将允许系统安装者以使凸缘160可位于凸头204和管板36之间的方式安装过滤装置24。在其它的实施例里，夹子200可用手收紧，诸如使用蝶形螺母。
F.方法
工作时，过滤装置24以如下所述方式被使用。在系统20里被过滤的空气沿箭头23的方向进入进气系统22。空气首先流经前置过滤元件32。空气在进口表面94处进入，流经介质126，并通过出口表面96离开。前置过滤元件32从进入空气中除去较大的颗粒和碎片。接着，空气进入初级过滤元件30。空气在进口表面40处进入，流经凹槽结构50，并在出口表面42处离开。由此，空气进入发电机28。
在一般的操作过程中，横跨过滤装置24的总压力降约是0.6-1.6英寸(1.5-4.1厘米)水。这包括初级过滤元件30和前置过滤器32。通常，横跨前置过滤器32的压力降约是0.2-0.6英寸(0.51-1.5厘米)水，而横跨初级过滤元件30的压力降约是0.4-1英寸(1.02-2.54厘米)水。
工作一段时间后，应该对过滤装置24进行保养。而前置过滤元件32可能比初级过滤元件30更需要保养(即，拆除和更换)。为了保养前置过滤元件32和120，在其褶92和124处抓住前置过滤元件32和120，并将其从套管件34中取出。这可通过抽拉与壁150的内表面摩擦啮合的前置过滤元件32和120进行。然后可丢掉旧的前置过滤元件32和120。提供另一个新的前置过滤元件32和120。前置过滤元件120可是面板132的形状；或者，前置过滤装置32可是预制的圆形前置过滤器32的形状。操作面板132使各褶124散开，而端部褶136与端部褶138连接。通常，端部褶136被夹在或连接在端部138上，形成圆形前置过滤元件120。然后，将新的前置过滤元件32和120安装在套管件34里。这可通过对着壁150的内表面径向压缩折叠的介质的端部褶108进行。这种摩擦啮合有助于使前置过滤元件32和120固定不动。应该知道，系统20的压力也有助于将前置过滤元件32和120固定在套管件34里。
不时，初级过滤元件30也需要保养。通常，这是在达到约3-4英寸(7.6-10.2厘米)水的压力降之后进行。为了保养初级过滤元件30，从管板36上卸下套管件34。这是通过破坏凸缘160和管板36之间的密封164进行的。为了破坏密封164，各夹子200的各控制杆可能需要压下，从而使凸头204移离管板36。然后，沿着管板36形成的孔38使套管件34从管板36上轴向滑动。
然后可随套管件34一起丢掉初级过滤元件30。较佳的是，初级过滤元件和套管件34完全是由非金属材料制成的，这样，它们可容易地焚化。较佳的是，初级过滤元件30和套管件34至少是95％、最好至少是99％的非金属。此外，初级过滤元件30可从套管件34里卸下，而套管件34可重新使用。
然后提供具有新的初级过滤元件30的新的套管件34。将安装有初级过滤元件30的套管件34轴向放置在管板36的孔38里。通过压下控制杆200操纵各夹子200，以便允许凸缘160放置在凸头204和管板36的壁之间。将密封件162放置在凸缘160和管板36之间，以便建立密封164。然后可将前置过滤元件32和120放置在套管件34里。
上述的说明、例子和数据提供了本发明的制造和使用的完整介绍。由此可设计本发明的许多实施例。