Устройство охлаждения каркаса роторного дискового теплообменника энергетической установки

Полезная модель относится к области энергетического машиностроения, преимущественно к электроэнергетическим и теплогенерирующим установкам с регенеративными устройствами и циклами работы.
Широко известны устройства охлаждения каркаса роторных дисковых теплообменников энергетических установок, преимущественно малоразмерных газотурбинных двигателей (микротурбин). Роторные теплообменники имеют высокие эффективность и компактность. Основной проблемой роторных теплообменников является утечки теплоносителей в их уплотнениях, которые возникают вследствие неравномерного распределения температур по внешней поверхности силового каркаса, несущего основные нагрузки в роторном дисковом теплообменнике энергетической установки, вследствие чего происходит его грибообразное коробление и появляется возможность разрушения, которая приводит к нарушения работы энергетических установок, вследствие выхода из строя каркаса роторного дискового теплообменника энергетической установки.
Наименьшие утечки в уплотнениях имеют роторные каркасные дисковые теплообменники (см. авторское свидетельство СССР №1427725, МПК кл. F28D 19/00, опубл. 1961 г.). В таких теплообменниках уплотнения работают не по пористой (ребристой) поверхности теплопередающей матрицы, а по плоским дискам-щекам жесткого каркаса. Недостатком такой конструкции является то, что каркас имеет значительную температурную неравномерность. В частности, температура щеки каркаса со стороны входа воздуха и выхода охлажденного в матрице теплообменника газа имеет температуру 190-220°С, а температура щеки со стороны входа газа и выхода нагретого в теплообменнике воздуха 600-650°С. Температурная неравномерность приводит к термической грибообразной деформации каркаса и соответственно к снижению эффективности работы уплотнений теплообменника и может привести к его выходу из строя и нарушению работы всей энергетической установки.
Известно устройство охлаждения каркаса роторного дискового теплообменника энергетической установки, содержащее установленный в корпусе с возможностью вращения ротор, включающий каркас с внутренним регенеративным теплообменным наполнителем и с установленными по его плоским поверхностям холодным и горячим торцевыми дисками, а по поверхности его охлаждаемого периметра установлены, по меньшей мере, две кольцевые коаксиальные U-образные теплозащитные обечайки устройства охлаждения каркаса роторного дискового теплообменника энергетической установки, размещенные U-образными выемками навстречу одна в другой с возможностью образования по периметру каркаса Z-образного канала охлаждения периметра, выполненного с возможностью охлаждения более холодной частью рабочего тела поверхности периметра охлаждения каркаса и торцевых дисков, а колено внешней U-образной теплозащитной обечайки выполнено с возможностью контакта и теплопередачи с горячим диском (см. патент на изобретение РФ №2296930, авторы Елисеев С.Ю., Кустарев Ю.С., Костюков А.В., Крутов М.А., опубл. 10.04.2007).
Это устройство имеет наибольшее количество общих с предложением признаков и решает однотипную задачу, и по этим причинам мы принимаем его в качестве прототипа.
Основными техническими результатами предложения будут улучшение теплообмена, улучшение охлаждения внешней части горячего диска и внешнего охлаждаемого периметра каркаса ротора дискового теплообменника энергетической установки путем снижения непроизводительного возвратно-колебательного теплообмена во внутреннюю часть внешней и внутренней обечаек, повышения турбулизации течения рабочего тела и увеличения местной скорости его течения в самом теплонапряженном месте, в колене U-образного канала внешней теплозащитной обечайки.
Указанные технические результаты достигаются тем, что устройство охлаждения каркаса роторного дискового теплообменника энергетической установки содержит установленный в корпусе с возможностью вращения ротор, включающий каркас с внутренним основным регенеративным теплообменным наполнителем и с установленными по его плоским поверхностям холодным и горячим торцевыми дисками, а по поверхности его охлаждаемого периметра установлены, по меньшей мере, две кольцевые коаксиальные U-образные теплозащитные обечайки устройства охлаждения каркаса роторного дискового теплообменника энергетической установки, размещенные U-образными выемками навстречу одна в другой с возможностью образования по периметру каркаса Z-образного канала охлаждения периметра, выполненного с возможностью охлаждения более холодной частью рабочего тела поверхности периметра каркаса и торцевых дисков, а колено внешней U-образной теплозащитной обечайки выполнено с возможностью теплопередачи и контакта с горячим диском, причем внешняя часть внутренней теплозащитной обечайки, расположенная внутри U-образной выемки внешней теплозащитной обечайки, выполнена в виде дефлектора с турбулизатором-обтекателем на его конце, а внутренняя часть Z-образного канала заполнена дополнительным регенеративным наполнителем и выполнена с возможностью промежуточного регенеративного теплообмена с рабочим телом, причем внутренняя часть внешней U-образной теплозащитной обечайки и вся внутренняя поверхность внутренней теплозащитной обечайки покрыты материалом с низкой теплопроводностью.
По дну колена внешней теплозащитной обечайки выполнено радиальное оребрение, изготовленное с возможностью интенсивного теплообмена с горячим диском.
Вся указанная совокупность признаков позволяет достичь указанных технических результатов вследствие того, что выполнение внешней части внутренней теплозащитной обечайки, которая расположена внутри U-образной внешней теплозащитной обечайки и выполнена в виде дефлектора с турбулизатором-обтекателем на его конце, такое их выполнение незначительно сужает проходное сечение колена внешней теплозащитной обечайки, но за счет этого увеличивается скорость торообразного движения потока рабочего тела по дну внутренней части внешнего колена Z-образного канала, а по внешней его части замедляется вследствие увеличения сечения внешней кольцевой U-образной части колена, что должно увеличить турбулизацию потока во внешнем колене и улучшить теплообмен в этом месте и дальнейшее охлаждение несущих элементов внешней поверхности периметра охлаждения каркаса, что должно повысить отбор тепла от горячего диска и улучшить его охлаждение и поверхности периметра охлаждения каркаса ротора. Покрытие внутренней части внешней U-образной теплозащитной обечайки и всей внутренней поверхности внутренней теплозащитной обечайки материалом с низкой теплопроводностью должно уменьшить не производительный возвратно-колебательный теплообмен и увеличить теплосъем с несущих элементов каркаса и горячего диска. Установка внешней части внутренней теплозащитной обечайки, расположенной внутри U-образной внешней теплозащитной обечайки, и выполнение ее в виде дефлектора с турбулизатором-обтекателем на его конце приведет к интенсификации теплообмена и снижению температуры периметра охлаждения каркаса ротора и горячего диска роторного дискового теплообменника энергетической установки, что должно улучшить условия его работы.
На фиг. 1 показана конструкция устройства охлаждения каркаса роторного дискового теплообменника энергетической установки, расположенной по периметру каркаса роторного дискового теплообменника энергетической установки.
На фиг. 2 показана конструкция устройства охлаждения каркаса роторного дискового теплообменника энергетической установки, в которой элементы устройства расположены по периметру каждой теплообменной ячейки каркаса роторного дискового теплообменника энергетической установки.
На фиг. 3 показаны эпюры скоростей в каналах устройства охлаждения и распределения температур в стенках каркаса теплообменника:
а) только с дефлектором,
б) дефлектор с плоским турбулизатором-обтекателем,
в) дефлектор с каплевидным турбулизатором-обтекателем.
Устройство охлаждения каркаса роторного дискового теплообменника энергетической установки, содержащее установленный в корпусе с возможностью вращения ротор, включающий каркас 1 с внутренним основным регенеративным теплообменным наполнителем 2 и с установленными по его плоским поверхностям холодным 3 и горячим 4 торцевыми дисками, а по его поверхности 10 охлаждаемого периметра установлены, по меньшей мере, две кольцевые коаксиальные U-образные теплозащитные обечайки 5 и 6 устройства охлаждения каркаса 1 роторного дискового теплообменника энергетической установки, размещенные U-образными выемками 7 и 8 навстречу одна в другой с возможностью образования по периметру каркаса 1 Z-образного канала 9 охлаждения периметра, выполненного с возможностью охлаждения более холодной частью рабочего тела поверхности 10 периметра охлаждения каркаса 1 и торцевых дисков 3 и 4, а колено 11 внешней U-образной теплозащитной обечайки 5 выполнено с возможностью теплопередачи и контакта с горячим диском 4, отличающееся тем, что внешняя часть 12 внутренней теплозащитной обечайки 6, расположенная внутри U-образной выемки 7 внешней теплозащитной обечайки 5, выполнена в виде дефлектора 13 с турбулизатором-обтекателем 14 на его конце, а внутренняя часть 15 Z-образного канала 9 заполнена дополнительным регенеративным наполнителем 16 и выполнена с возможностью промежуточного регенеративного теплообмена с рабочим телом, причем внутренняя часть 17 внешней U-образной теплозащитной обечайки 5 и вся внутренняя поверхность внутренней теплозащитной обечайки 6 покрыты материалом 18 с низкой теплопроводностью.
По дну колена 11 внешней теплозащитной обечайки 5 выполнено радиальное оребрение 19, изготовленное с возможностью интенсивного теплообмена с горячим диском 4.
Для упрощения и адекватного понимания всех терминов в различных конструктивных модификациях устройства охлаждения каркаса роторного дискового теплообменника энергетической установки, соответствующего признакам формулы, следует пояснить, что внутренняя и наружная части теплозащитной обечайки должны определяться следующим образом: внутренняя часть или теплозащитная обечайка расположена ближе к основному регенеративному наполнителю 2 каркаса или отдельной теплообменной ячейки, а наружная часть или теплозащитная обечайка расположена ближе к несущему силовые нагрузки каркасу 1.
Самая простая модификация конструкции устройства охлаждения каркаса роторного дискового теплообменника энергетической установки показана на фиг. 1, в которой регенеративный наполнитель 2 (условно показан только до осевой линии, остальная часть регенеративного наполнителя и каркаса абсолютно симметрична относительно осевой) занимает все внутреннее пространство каркаса 1, а его силовые несущие элементы расположены по внешнему периметру с поверхностью 10 периметра охлаждения. Устройство охлаждения каркаса роторного дискового теплообменника энергетической установки содержит установленный в корпусе с возможностью вращения ротор, включающий каркас 1 с внутренним основным регенеративным теплообменным наполнителем 2 и с установленными по его плоским поверхностям холодным 3 и горячим 4 торцевым дискам, а по его поверхности 10 периметра охлаждения установлены, по меньшей мере, две кольцевые коаксиальные U-образные теплозащитные обечайки 5 и 6 устройства охлаждения каркаса 1 роторного дискового теплообменника энергетической установки, размещенные U-образными выемками 7 и 8 навстречу одна в другой с возможностью образования по периметру каркаса 1 Z-образного канала 9 охлаждения периметра, выполненного с возможностью охлаждения более холодной частью рабочего тела поверхности 10 периметра охлаждения каркаса 1 и торцевых дисков 3 и 4, а колено 11 внешней U-образной теплозащитной обечайки 5 выполнено с возможностью теплопередачи и контакта с горячим диском 4, причем внешняя часть 12 внутренней теплозащитной обечайки 6, расположенная внутри U-образной внешней теплозащитной обечайки 5, выполнена в виде дефлектора 13 с турбулизатором-обтекателем 14 на его конце, а внутренняя часть 15 Z-образного канала 9 заполнена дополнительным регенеративным наполнителем 16 и выполнена с возможностью промежуточного регенеративного теплообмена с рабочим телом, причем внутренняя часть 17 внешней U-образной теплозащитной обечайки 5 и вся внутренняя поверхность внутренней теплозащитной обечайки 6 покрыты материалом 18 с низкой теплопроводностью.
По дну колена 11 внешней теплозащитной обечайки 5 выполнено радиальное оребрение 19, изготовленное с возможностью интенсивного теплообмена с горячим диском 4. Радиальное расположение оребрения 19 необходимо понимать, как его расположение вдоль направления движения потока по всему периметру охлаждения Z-образного канала 9 по направлению радиусов, проходящих через ось вращения теплообменника.
Работает устройство охлаждения каркаса роторного дискового теплообменника энергетической установки следующим образом.
При поступлении в роторный дисковый теплообменник горячего газа, который разогревает основной регенеративный наполнитель 2, часть газа отделяется и поступает в Z-образный канал 9, во внутренней части которого расположен заранее переохлажденный дополнительный регенеративный наполнитель 16, газ охлаждается и, двигаясь по Z-образному каналу 9, из внутренней теплозащитной обечайки 6 поступает во внешнюю теплозащитную обечайку 5, доходит до ее колена 11, где отклоняется от прямолинейного движения дефлектором 13, образует торообразный поток, скорость торообразного движения потока уменьшается, который обтекает радиальное оребрение 19 и турбулизатор-обтекатель 14 и на нем интенсивно завихряется, то есть турбулизируется, что приведет к интенсификации охлаждения примыкающей к колену 11 части горячего диска 4 и в дальнейшем всей поверхности 10 внешнего периметра охлаждения каркаса 1. Далее газ из Z-образного канала 9 выходит и смешивается с основным потоком охлажденного газа из основного регенеративного наполнителя 2. При этом покрытие внутренней части внешней U-образной теплозащитной обечайки 5 и всей внутренней поверхности внутренней теплозащитной обечайки 6 материалом 18 с низкой теплопроводностью должно уменьшить не производительный возвратно-колебательный теплообмен и увеличить теплосъем с несущих элементов каркаса 1 и горячего диска 4.
При поступлении в роторный дисковый теплообменник холодного воздуха часть его отделяется от основного потока и поступает во внешнюю часть Z-образного канала 9, где интенсивно охлаждает поверхность 10 периметра охлаждения каркаса 1, а при достижении колена 11 поток воздуха отклоняется от прямолинейного движения дефлектором 13 образуетторообразный поток, скорость торообразного движения потока увеличивается, он обтекает турбулизатор-обтекатель 14 и на нем интенсивно завихряется, то есть турбулизируется, что приведет к интенсификации охлаждения примыкающей к колену 11 части горячего диска 4 и в дальнейшем поступает во внутреннюю часть Z-образного канала 9, где интенсивно охлаждает дополнительный регенеративный наполнитель 16 и далее поступает в основной поток нагретого воздуха из основного регенеративного наполнителя 2.
Более сложная модификация конструкции устройства охлаждения каркаса роторного дискового теплообменника энергетической установки показана на фиг. 2, в которой регенеративный наполнитель 2 (условно показан только до осевой линии теплообменной ячейки, остальная часть регенеративного наполнителя и каркаса абсолютно симметрична относительно осевой) занимает не все внутреннее пространство каркаса 1, состоящего из отдельных частей, так называемых теплообменных ячеек, а только их внутреннюю часть. Конструкция теплообменных ячеек полностью повторяет конструкцию каркаса устройства охлаждения каркаса роторного дискового теплообменника энергетической установки, показанной на фиг. 1, а его силовые несущие элементы расположены по внешней поверхности 10 периметра охлаждения каждой отдельной теплообменной ячейки. Устройство охлаждения каркаса 1 роторного дискового теплообменника энергетической установки, так же как и в предыдущей модификации, содержит установленный в корпусе с возможностью вращения ротор, включающий каркас 1 с внутренним основным регенеративным теплообменным наполнителем 2, размещенным в теплообменных ячейках, (см. фиг. 2), и с установленными по его плоским поверхностям холодным 3 и горячим 4 торцевым дискам, а по поверхности 10 периметра охлаждения каждой теплообменной ячейки установлены, по меньшей мере, две кольцевые коаксиальные U-образные теплозащитные обечайки 5 и 6 устройства охлаждения каркаса 1 роторного дискового теплообменника энергетической установки, размещенные U-образными выемками 7 и 8 навстречу одна в другой с возможностью образования по периметру каркаса 1 Z-образного канала 9 периметра охлаждения, выполненного с возможностью охлаждения более холодной частью рабочего тела поверхности 10 периметра охлаждения каркаса 1 и торцевых дисков 3 и 4, а колено 11 внешней U-образной теплозащитной обечайки 5 выполнено с возможностью теплопередачи и контакта с горячим диском 4, причем внешняя часть 12 внутренней теплозащитной обечайки 6, расположенная внутри U-образной внешней теплозащитной обечайки 5, выполнена в виде дефлектора 13 с турбулизатором-обтекателем 14 на его конце, а внутренняя часть 15 Z-образного канала 9 заполнена дополнительным регенеративным наполнителем 16 и выполнена с возможностью промежуточного регенеративного теплообмена с рабочим телом, причем внутренняя часть 17 внешней U-образной теплозащитной обечайки 5 и вся внутренняя поверхность внутренней теплозащитной обечайки 6 покрыты материалом 18 с низкой теплопроводностью.
По дну колена 11 внешней теплозащитной обечайки 5 каждой теплообменной ячейки выполнено радиальное оребрение 19, изготовленное с возможностью интенсивного теплообмена с горячим диском 4. Радиальное расположение оребрения 19 необходимо понимать, как его расположение вдоль направления движения потока по всему периметру охлаждения Z-образного канала 9 каждой теплообменной ячейки по направлению радиусов, проходящих через соответствующую ось симметрии каждой теплообменной ячейки теплообменника.
Работает устройство охлаждения каркаса роторного дискового теплообменника, состоящего из множества теплообменных ячеек, следующим образом.
При поступлении в роторный дисковый теплообменник горячего газа, который разогревает основной регенеративный наполнитель 2 в каждой теплообменной ячейке, часть газа отделяется и поступает в Z-образный канал 9, во внутренней части которого расположен заранее переохлажденный регенеративный наполнитель 16, газ охлаждается и двигаясь по Z-образному каналу 9 из внутренней теплозащитной обечайки 6 поступает во внешнюю теплозащитную обечайку 5, доходит до ее колена 11, где отклоняется от прямолинейного движения дефлектором 13, образует торообразный поток, скорость торообразного движения потока уменьшается, который обтекает радиальное оребрение 19 и турбулизатор-обтекатель 14 и на нем интенсивно завихряется, то есть турбулизируется, что приведет к интенсификации охлаждения примыкающей к колену 11 части горячего диска 4 и в дальнейшем всей поверхности 10 внешнего периметра охлаждения каждой теплообменной ячейки каркаса 1. Далее газ из Z-образного канала 9 выходит и смешивается с основным потоком охлажденного газа из основного регенеративного наполнителя 2. При этом покрытие внутренней части внешней U-образной теплозащитной обечайки 5 и всей внутренней поверхности внутренней теплозащитной обечайки 6 материалом 18 с низкой теплопроводностью должно уменьшить не производительный возвратно-колебательный теплообмен и увеличить теплосъем с несущих элементов каркаса и горячего диска.
При поступлении в роторный дисковый теплообменник холодного воздуха часть его отделяется от основного потока и поступает во внешнюю часть Z-образного канала 9 каждой теплообменной ячейки, где интенсивно охлаждает поверхность 10 периметра охлаждения несущих элементов каркаса 1, а при достижении колена 11 отклоняется от прямолинейного движения дефлектором 13 и обтекает радиальное оребрение 19 и турбулизатор-обтекатель 14, образует торообразный поток, скорость торообразного движения потока увеличивается, он обтекает турбулизатор-обтекатель 14 и на нем интенсивно завихряется, то есть турбулизируется, что приведет к интенсификации охлаждения примыкающей к колену 11 части горячего диска 4 и в дальнейшем поступает во внутреннюю часть Z-образного канала 9 каждой теплообменной ячейки, где интенсивно охлаждает регенеративный наполнитель 16 и далее поступает в основной поток нагретого воздуха из основного регенеративного наполнителя 2.
На фиг. 3а, 3б и 3в показаны распределение скоростей и температур потоков при различных видах турбулизатора-обтекателя 14.
На фиг. 3а показано распределение скоростей и температур потоков при наличии только одного дефлектора. Там имеются застойные зоны, и теплообмен с горячим диском 4 недостаточен для необходимого охлаждения.
На фиг. 3б показано распределение скоростей и температур потоков при наличии не только дефлектора 13, но одного плоского турбулизатора-обтекателя 14, но этого недостаточно. Застойных зон нет, но имеется излишняя турбулизация потока из-за плоской формы турбулизатора-обтекателя 14.
На фиг. 3в показано распределение скоростей и температур потоков при наличии не только дефлектора 13, но и одного каплевидного турбулизатора-обтекателя 14. Застойных зон нет, и поток должным образом обтекает турбулизатор-обтекатель 14, распределение скоростей и температур происходит оптимальным образом. Теплообмен с горячим диском 4 идет интенсивно.
На основании изложенного можно утверждать следующее.
Предложение имеет отличия от известной конструкции, а при его использовании достигаются новые технические результаты, которые не могут быть получены при работе известного регенеративного подогревателя рабочего тела и энергетической установки, следовательно, соответствует критерию охраноспособности полезной модели «новизна».