СИСТЕМА РЕКУПЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
EXHAUST GAS ENERGY RECUPERATION SYSTEM

1. Область техники к которой относится изобретение
Изобретение относится к системе рекуперации энергии отработавших газов. В частности, изобретение касается системы рекуперации энергии отработавших газов газотурбинного двигателя, которым оборудован летательный аппарат, например, вертолет.
2. Уровень техники
Как правило, летательные аппараты, в частности, вертолеты оснащены одним или несколькими газотурбинными двигателями, принцип работы которых основан на приведении во вращение турбины за счет сгорания газа, в который впрыскивают топливо.
На выходе турбины сгоревший газ, приведший во вращение турбину и называемый отработавшим газом, удаляется наружу через выпускное сопло. Циклы газотурбинного двигателя приводят к выходным температурам отработавших газов порядка 600°С. Теоретическую тепловую энергию, содержащуюся в этом потоке отработавших газов, оценивают в 60% потенциальной энергии, содержащейся в топливе, впрыскиваемом на входе турбины.
Поэтому следует попытаться рекуперировать часть этой тепловой энергии, чтобы повысить КПД газотурбинного двигателя. Для этого были предложены решения, в частности, использование теплообменников, расположенных в выпускном сопле газотурбинного двигателя и позволяющих рекуперировать часть тепловой энергии. Эту рекуперируемую тепловую энергию используют, например, для подогрева газа, поступающего в газотурбинный двигатель, до его сгорания или для подогрева газа вспомогательной установки, присутствующей в летательном аппарате, типа турбомашины или поршневой установки.
Однако эти решения имеют целый ряд недостатков. Действительно, присутствие теплообменника в выпускном сопле приводит к потерям напора, влияющим на работу турбины. Этот теплообменник может стать причиной загрязнения, которое влияет на характеристики газотурбинного двигателя и требует осуществления операций промывки, и также может привести к повреждениям в случае потери лопатки и blade-shedding (предохранительной лопатки). Предохранительная лопатка blade-shedding представляет собой механическую защиту от превышения скорости свободой турбины газотурбинного двигателя.
Кроме того, использование такого теплообменника требует, чтобы газотурбинный двигатель был рассчитан для работы с таким теплообменником. В рамках использования теплообменника для подогрева газа, поступающего в газовую турбину, присутствие теплообменника предполагает рабочую точку двигателя, отличающуюся от рабочей точки при работе без теплообменника, то есть характеристики двигателя сильно меняются в случае неиспользования теплообменника. Это неиспользование теплообменника, если оно является аварийным (связано с неисправностью теплообменника), может также привести к повреждению теплообменника и отказу двигателя.
Наконец, условия работы теплообменника в выпускном сопле (высокие температуры, превышающие или равные 600°С, давление от 4 до 8 бар и т.д.) требуют соответствующего расчета размерных параметров теплообменника, в частности, увеличения его размера и его массы, а также применения материалов, выдерживающих эти условия. Однако, эти материалы, соответствующие таким условиям, обычно имеют низкие характеристики теплопроводности, что снижает эффективность и полезность теплообменника.
3. Задачи изобретения
Задачей изобретения является преодоление по меньшей мере части недостатков известных систем рекуперации энергии отработавших газов.
В частности, по меньшей мере в варианте выполнения изобретение призвано предложить систему рекуперации энергии, которая позволяет избегать потерь напора, влияющих на работу газотурбинного двигателя.
По меньшей мере в варианте выполнения изобретение призвано предложить систему рекуперации энергии, неисправность которой не влияет на работу газотурбинного двигателя.
По меньшей мере в варианте выполнения изобретение призвано предложить систему рекуперации энергии, которую можно устанавливать на существующих газотурбинных двигателях.
По меньшей мере в варианте выполнения изобретение призвано предложить систему рекуперации энергии, позволяющую использовать теплообменники, выполненные из материалов, имеющих лучшие характеристики для теплообмена.
4. Раскрытие изобретения
Объектом изобретения является система рекуперации энергии отработавших газов по меньшей мере одного газотурбинного двигателя, содержащая:
- турбину, установленную с возможностью вращения вокруг рекуперационного вала и выполненную с возможностью отбора по меньшей мере части отработавших газов, называемой отбираемыми газами, и расширения упомянутых отбираемых газов для получения газов, расширенных до давления ниже атмосферного давления,
- первый теплообменник, выполненный с возможностью охлаждения упомянутых расширенных газов при помощи холодного источника для получения охлажденных газов,
- компрессор, установленный с возможностью вращения вокруг рекуперационного вала и выполненный с возможностью сжатия упомянутых охлажденных газов до атмосферного давления,
- вентилятор, выполненный с возможностью обеспечения холодного источника для первого теплообменника, при этом вентилятор приводится во вращение от рекуперационного вала.
Таким образом, система в соответствии с изобретением обеспечивает рекуперацию по меньшей мере части энергии отработавших газов по меньшей мере одного газотурбинного двигателя, причем будучи вынесенной, в отличие от известных решений. Действительно, в данном случае часть отработавших газов отбирают для осуществления теплообмена через теплообменник в условиях, более благоприятных, чем в известных решениях, где теплообменник находился в выпускном сопле газотурбинного двигателя. Кроме того, турбина, позволяющая отбирать отработавшие газы, дополнительно позволяет снизить давление отработавших газов и, следовательно, понизить температуру отработавших газов. Таким образом, на теплообменник действуют более низкие давление и температура, что позволяет использовать материалы с лучшими характеристиками для теплообмена. Точно так же, поскольку газы, циркулирующие между турбиной и компрессором, имеют низкое давление ниже атмосферного давления, это позволяет в целом ограничить внутренние воздействия этих газов на компоненты системы рекуперации энергии.
Предпочтительно система рекуперации энергии отбирает не все отработавшие газы, чтобы сохранить высокую эффективность, отбирая только газы при высокой температуре, при этом часть отбираемых отработавших газов зависит от аэродинамики выпускного сопла газотурбинного двигателя, обеспечивающего удаление отработавших газов. Предпочтительно отбор можно осуществлять в изогнутой части выпускного сопла. Такая изогнутая часть присутствует, например, в выпускных соплах газотурбинных двигателей, которыми оборудованы вертолеты.
Рекуперируемую энергию отработавших газов получают за счет разности между механической энергией, производимой во время прохождения отработавших газов через турбину и передаваемой на рекуперационный вал, и энергией, расходуемой рекуперационным валом для приведения во вращение компрессора с целью сжатия отработавших газов, охлажденных первым теплообменником. В случае необходимости, из этой отбираемой энергии можно вычесть возможную энергию, необходимую для обеспечения холодного источника для теплообменника. Следовательно, рекуперируемую энергию можно использовать в виде механической энергии, передаваемой рекуперационным валом. Затем рекуперационный вал можно, например, соединить с другими валами через коробку приводов для подачи на эти другие валы дополнительной механической энергии. Валами, которые могут использовать энергию, отбираемую на уровне рекуперационного вала, являются, например, вал свободной турбины газотурбинного двигателя, вал газогенератора газотурбинного двигателя, вал главной трансмиссионной коробки вертолета и т.д. Эта энергия, отбираемая на уровне рекуперационного вала, является механической энергией, но может быть затем преобразована в другой вид энергии (электрическая, пневматическая и т.д.).
Кроме того, отбор части отработавших газов не приводит к потере напора в газотурбинном двигателе. В отличие от известных решений, где теплообменник находился в выпускном сопле газотурбинного двигателя, отбор отработавших газов турбиной позволяет не мешать нормальной работе газотурбинного двигателя и, следовательно, ограничить потери напора. Кроме того, возможная неисправность системы рекуперации энергии не будет влиять на работу газотурбинного двигателя, поскольку все отработавшие газы полностью удаляются, благодаря выпускному соплу. Кроме того, систему рекуперации энергии можно адаптировать для уже существующих газотурбинных двигателей, и она на требует изменения рабочей точки газотурбинного двигателя, на котором ее устанавливают, и, следовательно, не ухудшает его характеристик.
Предпочтительно система в соответствии с изобретением содержит второй теплообменник, выполненный с возможностью обеспечения предварительного охлаждения расширенных газов до их поступления в первый теплообменник.
3
Согласно этому отличительному признаку изобретения, второй теплообменник позволяет понизить температуру отработавших газов до их прохождения в первый теплообменник, чтобы обеспечить дополнительное ослабление температурных напряжений первого теплообменника, который может быть выполнен таким образом, чтобы обеспечивать высокую эффективность теплообмена при помощи более походящих материалов при меньших размерах. Предпочтительно, согласно изобретению, материалом, используемым для первого теплообменника, является алюминий, что обеспечивает хороший компромисс между высокими характеристиками теплообмена (теплопроводность порядка 150 Вт/м/°С) при меньшем весе (плотность порядка 2700 кг/м).
Предпочтительно система в соответствии с изобретением содержит наружный воздушный вход, выполненный с возможностью предварительного охлаждения расширенных газов до прохождения в первый теплообменник.
Согласно этому отличительному признаку изобретения, воздушный вход позволяет смешивать расширенные газы с воздухом, поступающим снаружи, для понижения их температуры. Поступление наружного воздуха через воздушный вход облегчается за счет того, что расширенные газы имеют давление ниже атмосферного давления наружного воздуха. Охлажденные газы поступают в первый теплообменник. Воздушный вход может заменить или дополнить упомянутый выше второй теплообменник.
Предпочтительно система в соответствии с изобретением содержит несколько трубопроводов, соединяющих турбину с несколькими выпускными соплами для отбора отработавших газов из нескольких газотурбинных двигателей.
Согласно этому отличительному признаку изобретения, всего одна система рекуперации энергии позволяет рекуперировать часть энергии отработавших газов, поступающих от нескольких газотурбинных двигателей.
Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, оснащенный системой рекуперации энергии в соответствии с изобретением.
Газотурбинный двигатель в соответствии с изобретением обеспечивает лучшую общую производительность за счет рекуперации части потенциальной энергии в виде тепла, содержащегося в отработавших газах, при помощи системы рекуперации энергии.
Предпочтительно газотурбинный двигатель в соответствии с изобретением дополнительно содержит газогенератор, приводимый во вращение газогенераторным валом, и рекуперационный вал соединен с газогенераторным валом.
Согласно этому отличительному признаку изобретения, механическую энергию, отбираемую системой рекуперации энергии, используют на уровне газогенераторного вала, что позволяет повысить характеристики газотурбинного двигателя. В случае неисправности системы рекуперации энергии газогенератор может продолжать работать нормально, и единственным следствием является снижение характеристик газотурбинного двигателя.
Предпочтительно газотурбинный двигатель в соответствии с изобретением содержит также свободную турбину, приводящую во вращение вал свободной турбины, и рекуперационный вал соединен с валом свободной турбины.
Согласно этому отличительному признаку изобретения, механическую энергию, отбираемую системой рекуперации энергии, используют на уровне вала свободной турбины, предназначенного, например, для приведения во вращение винта, что позволяет повысить характеристики газотурбинного двигателя. В случае неисправности системы рекуперации энергии газогенератор может продолжать работать нормально, и единственным следствием является снижение характеристик газотурбинного двигателя.
Объектом изобретения является также вертолет, содержащий газотурбинный двигатель в соответствии с изобретением.
Предпочтительно, согласно изобретению, вертолет дополнительно содержит хвостовой винт, вращаемый задним валом, при этом рекуперационный вал соединен с упомянутым задним валом.
Объектом изобретения является также способ рекуперации энергии отработавших газов газотурбинного двигателя, содержащий:
- этап отбора по меньшей мере части отработавших газов,
- этап расширения отработавших газов, отобранных на этапе отбора,
- этап охлаждения отработавших газов, расширенных на этапе расширения,
- этап сжатия отработавших газов, охлажденных на этапе охлаждения.
Предпочтительно способ рекуперации энергии в соответствии с изобретением осуществляют при помощи системы рекуперации энергии в соответствии с изобретением.
Предпочтительно система рекуперации энергии в соответствии с изобретением осуществляет способ рекуперации энергии в соответствии с изобретением.
Объектами изобретения являются также система рекуперации энергии, способ рекуперации энергии, газотурбинный двигатель и вертолет, характеризующиеся в комбинации всеми или частью упомянутых выше или описанных ниже отличительных признаков.
5. Список чертежей
Другие задачи, отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве не ограничительного примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схематичный вид газотурбинного двигателя, оснащенного системой рекуперации энергии согласно варианту выполнения изобретения.
Фиг. 2 - схематичный вид системы рекуперации энергии согласно первому варианту выполнения изобретения.
Фиг. 3 - схематичный вид системы рекуперации энергии согласно второму варианту выполнения изобретения.
Фиг. 4 - схема способа рекуперации энергии согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг. 5 - схематичный вид вертолета, содержащего газотурбинный двигатель согласно варианту выполнения изобретения.
6. Подробное описание варианта выполнения изобретения
Нижеследующие варианты выполнения являются примерами. Хотя изобретение ссылается на один или несколько вариантов выполнения, это не значит, что каждая ссылка касается одного варианта выполнения. Отдельные отличительные признаки различных вариантов выполнения можно также комбинировать, чтобы получить другие варианты выполнения.
На фиг. 1 схематично показан газотурбинный двигатель 10, оснащенный системой 12 рекуперации энергии согласно варианту выполнения изобретения.
Система 12 рекуперации энергии выполнена с возможностью отбора по меньшей мере части 14 отработавших газов газотурбинного двигателя 10 с целью рекуперации части тепловой энергии отработавших газов 16. Эти отработавшие газы 16 образованы газами 18, поступающими в газотурбинный двигатель 10 через входной трубопровод, затем смешивающимися с топливом и сгорающими в газотурбинном двигателе 10 для приведения во вращение свободной турбины 20 на выходе газотурбинного двигателя 10. Рекуперация большей части кинетической энергии отработавших газов направлена на приведение во вращение свободной турбины 20, при этом остаточная кинетическая энергия позволяет удалять отработавшие газы 16 на выходе этой свободной турбины 20. Отработавшие газы 16 удаляются через выпускное сопло 22, обеспечивающее в рамках использования газотурбинного двигателя 10 в летательном аппарате удаление отработавших газов 16 наружу за пределы летательного аппарата.
Система 12 рекуперации энергии позволяет отбирать часть этих отработавших газов, показанную стрелкой 14, например, через трубопровод 24 отбора, соединенный с выпускным соплом 22 газотурбинного двигателя 10. Отбор части 14 отработавших газов происходит, благодаря турбине, обеспечивающей расширение отбираемых отработавших газов, что обеспечивает всасывание части 14 отработавших газов в выпускное сопло через трубопровод 24 отбора. Согласно другому варианту выполнения изобретения, система 12 рекуперации энергии содержит несколько трубопроводов отбора, соединенных с несколькими выпускными соплами для отбора части отработавших газов, поступающих из нескольких газотурбинных двигателей.
Система 12 рекуперации энергии содержит также канал 26 впуска наружного воздуха 28, обеспечивающего охлаждение газа, отбираемого турбиной, при помощи теплообменника, присутствующего в системе 12 рекуперации энергии. После рекуперации энергии части 14 отобранных отработавших газов выходные газы 30 удаляются через выпускной трубопровод 32. Этот выпускной трубопровод 32 может также служить для удаления наружного воздуха 28 после его прохождения через теплообменник.
На фиг. 2 схематично представлена система 12 рекуперации энергии согласно первому варианту выполнения изобретения. В этом первом варианте выполнения турбина 34, компрессор 36 и вентилятор 38 соединены с рекуперационным валом 40. Турбина 34 отбирает часть 14 отработавших газов из выпускного сопла 10 и обеспечивает расширение этих отработавших газов и, следовательно, понижение их температуры, производя, таким образом, расширенные газы, показанные стрелкой 42. Давление расширенных газов 42 в результате расширения турбиной 34 ниже атмосферного давления. Расширенные газы 42 проходят через первый теплообменник 44 для обеспечения их охлаждения, в результате чего получают охлажденные газы, показанные стрелкой 46. Охлаждение расширенных газов 42 происходит на уровне первого теплообменника 44, благодаря холодному источнику 45, доставляемому до первого теплообменника 44 вентилятором 38, приводимым во вращение рекуперационным валом 40 и обеспечивающим подачу наружного воздуха.
Газы 46, охлажденные первым теплообменником 44, поступают в компрессор 36, соединенный с рекуперационным валом 40. Компрессор сжимает охлажденные газы 46 для получения газов с давлением, по существу равным атмосферному давлению, называемых выходными газами 30, которые удаляются, например, через выпускной трубопровод 32, как схематично показано на фиг. 1. Выпускной трубопровод обеспечивает также удаление холодного источника 45 после его прохождения в первом теплообменнике 44. Удаление холодного источника 45 и выходных газов 30 показано стрелкой 48.
Энергию, рекуперируемую системой 12 рекуперации энергии, можно использовать в виде механической энергии, передаваемой рекуперационным валом 40. Эта рекуперируемая механическая энергия представляет собой разность между механической энергией, поступающей на рекуперационный вал 40 от вращения турбины 34 за счет прохождения части 14 отработавших газов, и механической энергии, поступающей от рекуперационного вала 40 и расходуемой компрессором 36 для сжатия охлажденных газов 46 до давления, по существу равного атмосферному давлению. Охлаждение расширенных газов первым теплообменником 44 позволяет понизить температуру расширенных газов и уменьшить энергию, необходимую компрессору 36 для сжатия охлажденных газов до атмосферного давления. Таким образом, количество рекуперируемой энергии зависит от эффективности охлаждения при помощи первого теплообменника 44. Из рекуперируемой энергии следует также вычесть энергию, расходуемую вентилятором 38. Затем энергию, отбираемую на уровне рекуперационного вала 40, можно передавать, например, на другие валы летательного аппарата через коробку приводов или можно преобразовать в другой вид энергии.
В некоторых ситуациях расширенные газы 42 имеют температуру, которая остается высокой на выходе турбины и при их поступлении в первый теплообменник 44. Таким образом, первый теплообменник 44 необходимо рассчитать по размерам и выполнить из материала, совместимого с высокими температурами, даже если они ниже температур, встречающихся в выпускном сопле 22 газотурбинного двигателя 10.
Для обеспечения более эффективного использования первого теплообменника 44 можно предварительно понизить температуру расширенных газов 42. Для этого система 12 рекуперации энергии содержит второй теплообменник 50, позволяющий предварительно охладить расширенные газы 42 до их поступления в упомянутый первый теплообменник 40, как показано на фиг. 3. На этой фиг. 3 элементы, не поменявшиеся по сравнению с вариантом выполнения, показанным на фиг. 2, имеют те же обозначения. Предварительное охлаждение во втором теплообменнике 50 происходит, благодаря второму холодному источнику 52, представляющему собой, например, выходные газы 30 на выходе компрессора и холодный источник 45 после его прохождения через первый теплообменник 44. Таким образом, благодаря этому предварительному охлаждению при помощи второго теплообменника 50, температура газов 53 на входе первого теплообменника является более низкой. Таким образом, первый теплообменник 44 можно выполнить из материала с более щадящими требованиями по отношению к температуре использования и обеспечивающего более эффективное охлаждение и/или позволяющего предусмотреть меньшие размеры и меньший вес.
3
3
Например, материал, стойкий к высоким температурам, такой как сталь, имеет теплопроводность порядка 15 Вт/м/°С и плотность порядка 7800 кг/м. Таким образом, второй теплообменник 50 можно выполнить, например, из стали. Алюминий имеет более низкую стойкость к высоким температурам, но более высокую теплопроводность, порядка 150 Вт/м/°С, и плотность порядка 2700кг/м. Таким образом, первый теплообменник 44 можно выполнить, например, из алюминия, что обеспечивает более эффективное охлаждение проходящих через него газов 53 при меньшем весе.
Для изготовления первого теплообменника 44 и второго теплообменника 50 можно использовать другие металлы или сплавы металлов в зависимости от температурных условий, от размерных требований и от желаемой эффективности, которые могут меняться в зависимости от газотурбинных двигателей, в которых отбирают по меньшей мере часть отработавших газов, и в зависимости от вариантов выполнения, то есть с одним или с двумя теплообменниками. Предпочтительно теплообменники и/или материалы, используемые в этих теплообменниках, уже были опробованы для применения в летательном аппарате. Например, в системе рекуперации энергии можно использовать теплообменники типа теплообменников, применяемых в системе кондиционирования кабины самолета и уже опробованных для авиации.
В этом варианте выполнения предварительное охлаждение до прохождения в первый теплообменник 44 осуществляют также, благодаря воздушному входу 51, позволяющему нагнетать наружный воздух в газы для первого теплообменника 44. Смешивание газов с наружным воздухом обеспечивает, таким образом, понижение температуры. Кроме того, нагнетание наружного воздуха облегчается за счет того, что газы, присутствующие в системе 12 рекуперации энергии, имеют давление ниже атмосферного давления.
В зависимости от вариантов выполнения система 12 рекуперации энергии может содержать только первый теплообменник 44 или первый теплообменник 44 в сочетании с вторым теплообменником, или в сочетании с воздушным входом 51, или в сочетании с комбинацией второго теплообменника 50 и воздушного входа 51.
На фиг. 4 схематично представлен способ 54 рекуперации энергии согласно варианту выполнения изобретения. Способ 54 рекуперации энергии содержит этап 55 отбора по меньшей мере части отработавших газов, называемой отбираемыми газами, поступающих из газотурбинного двигателя, что было описано со ссылками на фиг. 1. Затем отобранные газы расширяются на этапе 56 расширения отобранных газов, например, при помощи турбины 34 в описанной выше системе 12 рекуперации энергии. Этот этап 56 расширения позволяет получать расширенные газы, которые с учетом понижения давления имеют более низкую температуру, чем отобранные газы. Затем расширенные газы охлаждают на этапе 58 охлаждения для получения охлажденных газов. После этого эти охлажденные газы сжимают на этапе 60 сжатия.
Применяемый таким образом способ 54 рекуперации энергии следует циклу термодинамики типа обратного цикла Брайтона с разрежением. Механическую энергию, рекуперируемую при помощи этого цикла, получают из тепловой энергии, содержащейся в отбираемых отработавших газах.
На фиг. 5 схематично показан вертолет 61, содержащий газотурбинный двигатель 10 согласно варианту выполнения изобретения. Газотурбинный двигатель оснащен системой 12 рекуперации энергии согласно варианту выполнения изобретения. В этом варианте выполнения система 12 рекуперации энергии соединена с задним валом 62 вертолета 61. Этот задний вал 62 обеспечивает приведение во вращение хвостового винта 64 вертолета 61, что позволяет стабилизировать этот вертолет, в частности, за счет компенсации крутящего момента, создаваемого главным несущим винтом 66, приводимым во вращение газотурбинным двигателем 10 через главную трансмиссионную коробку. Таким образом, механическая энергия, рекуперируемая системой 12 рекуперации энергии, передается на задний вал 62 вертолета 61.
Запуск системы 12 рекуперации энергии требует предварительного приведения во вращение рекуперационного вала 40, соединенного с турбиной 34 и с компрессором 36, за счет внешней энергии, например, от заднего вала 62 вертолета. Таким образом, во время запуска система 12 рекуперации энергии является рецептором энергии. После достижения рабочей точки система 12 рекуперации энергии достигает равновесия и становится приводом, благодаря отбору по меньшей мере части отработавших газов, обеспечивающему рекуперацию механической энергии.
Изобретение не ограничивается только описанными вариантами выполнения. В частности, холодный источник, используемый на уровне теплообменника или теплообменников, может быть получен разными способами, например, посредством подачи воздуха от электрического вентилятора или через реактивный патрубок, и т.д. Кроме того, повторное использование механической энергии, генерируемой системой, можно осуществлять по-другому, например, на уровне главной трансмиссионной коробки (ВТР) вертолета или путем преобразования в пневматическую, электрическую или другую энергию. Кроме того, система рекуперации энергии может содержать более двух теплообменников.