ТЕПЛООБМЕННИКИ
HEAT EXCHANGERS

Перекрестная ссылка на родственные заявки
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет в соответствии с §119 (а) 35 Кодекса законов США по следующим заявкам, поданным в Соединенном Королевстве 11 октября 2013 г., содержание каждой из которых включено в настоящую заявку посредством ссылки: GB 1318098.9; GB 1318109.4; GB 1318100.3; GB 1318107.8; GB 1318099.7, и в соответствии с § 120 и § 365 35 Кодекса законов США испрашивает приоритет с преимуществом по более ранней даты подачи согласно заявке на патент Соединенных Штатов номер 14/296603, которая была подана 5 июня 2014 г. и которая также включена в настоящую заявку посредством ссылки.
Область техники
[0002] Настоящее изобретение относится к теплообменникам, таким как того типа, которые могут быть использованы в применении в авиации и космонавтике или в промышленных или других применениях. Изобретение также относится к двигателям, таким как двигатели воздушных летательных аппаратов или к аэрокосмическим двигателям, содержащим такие теплообменники, и к воздушному летательному аппарату, содержащему такие теплообменники или двигатели.
Уровень техники
[0003] GB-A-2241319 раскрывает теплообменник с вложенными секциями спиральных труб. Впускной коллектор расположен на одной стенке, а выпускной коллектор расположен на другой стенке на конце устройства. Однако затруднительно построить такой теплообменник, который будет подвержен значительным колебаниям температуры и выполнен в форме, способной выдерживать многочисленные циклы, которые желательны в определенных теплообменниках, например, при использовании в транспортных средствах, или летательных аппаратах, многократного использования.
[0004] Кроме того, при наличии существенного потока воздуха через теплообменник в радиальном направлении мимо трубок сопротивление воздушному потоку на трубках образует большую радиальную силу, действующую на эти трубки, и трубки трудно поддерживать и эксплуатировать в течение длительного времени. Кроме того, теплообменник имеет достаточно ограниченную функциональность в цикле и затруднительно выполнить теплообменники с размещением их в двигателе и обеспечением системы с малым весом и низким перепадом давления. Кроме того, для достижения достаточных рабочих характеристик оказалась необходимой разработка цикла, охлаждающего атмосферный воздух до его вхождения в секцию сжатия вниз по течению от такого теплообменника при температуре ниже 0°С. К сожалению, это может весьма легко приводить к очень быстрому блокированию теплообменника льдом, поскольку значительное количество водяного пара зачастую присутствует в нижних слоях атмосферы, где может иметь место запуск летательного аппарата, содержащего теплообменник для охлаждения воздуха, что делает все летательный аппарат нежизнеспособным. Это оказалось исключительно трудной проблемой, которую пытались решить в течение многих лет и которая оказалась существенным барьером для возможности создания летательного аппарата многократного использования, который был бы способен работать в относительно экономичном воздушно-реактивном режиме с горизонтальным взлетом и продолжать полет как летательный аппарат LAPCAT, предназначенный для транспортировки трехсот пассажиров из Брюсселя, Бельгия, в Сидней, Австралия, примерно за 4,6 часа в крейсерском режиме со скоростью примерно 5 Мах, или переключиться, как летательный аппарат SKYLON, в ракетный режим для перемещения из атмосферы на орбиту.
[0005] GB-A-2241537 раскрывает воздухозаборник для аэрокосмического двигателя, содержащего первый теплообменник для охлаждения поступающего воздуха, водоотделитель вниз по потоку от первого теплообменника, инжектор жидкого кислорода вниз по потоку от водоотделителя и второй теплообменник вниз по потоку от инжектора жидкого кислорода. Инжектор уменьшает температуру потока воздуха так, что вода, остающаяся в потоке воздуха вниз по потоку от водоотделителя, переходит в малые кристаллы сухого льда. Такая конструкция требует использования двух полностью раздельных теплообменников и в значительной степени увеличивает осевое расстояние в проточном канале вдоль патрубка между этими двумя теплообменниками. Кроме того, жидкий кислород используется для уменьшения температуры потока от уровня между 5° и 13°С до минус 50°С или ниже, так что значительное количество жидкого кислорода необходимо использовать для охлаждения воздуха в патрубке, где уже находится воздух, содержащий кислород, который может быть использован ниже по течению в двигателе.
Раскрытие изобретения
[0006] Согласно первой особенности настоящего изобретения предложен теплообменник, имеющий по меньшей мере одну секцию первого трубопровода, размещенную с возможностью обеспечения сообщения потока первой текучей среды с теплообменом со второй текучей средой в проточном канале, проходящем по меньшей мере через одну секцию первого трубопровода, и опору по меньшей мере одной секции первого трубопровода, причем по меньшей мере одна секция трубопровода прикреплена в первом месте к опоре, и по меньшей мере одна секция трубопровода во втором месте на ней выполнена подвижной вдоль ее длины по существу круговым образом относительно опоры в ответ на изменение температурных условий.
[0007] При необходимости по меньшей мере одна секция первого трубопровода содержит множество трубок для теплообмена.
[0008] При необходимости трубки присоединяются на своем первом конце к впускному коллектору и на своем втором конце к выпускному коллектору по меньшей мере одной секции первого трубопровода.
[0009] При необходимости указанное первое место расположено на одном из коллекторов, который жестко прикреплен к опоре, причем другой из коллекторов выполнен с возможностью перемещения относительно опоры в ответ на изменение температурных условий.
[0010] При необходимости другой из коллекторов прикреплен к его подвижной опоре, которая подвижна относительно указанной опоры.
[0011] При необходимости каждая указанная секция первого трубопровода представляет собой спиральную секцию, содержащую множество трубок, проходящих по спирали вдоль рядов и разнесенных друг от друга в рядах.
[0012] При необходимости трубки в указанной секции первого трубопровода расположены в диапазоне от 1 до 40 рядов, размещенных на расстоянии друг от друга в радиальном направлении, например, на 4 таких ряда.
[0013] При необходимости трубки размещены примерно в виде от 10 до 1000 рядов, на расстоянии друг от друга в радиальном направлении, например, примерно от 70 до 100 таких рядов.
[0014] При необходимости трубки имеют длину примерно 2-3 метра и проходят от первого коллектора до второго коллектора.
[0015] При необходимости трубки имеют диаметр, составляющий примерно 1 мм.
[0016] При необходимости трубки имеют толщину стенок, примерно составляющую 20-40 микрон.
[0017] При необходимости множество указанных спиральных секций вставлены друг в друга и ориентированы с угловым расстоянием относительно друг друга.
[0018] При необходимости указанные спиральные секции выполнены в форме по существу цилиндрического барабана.
[0019] При необходимости опора содержит по меньшей мере один круговой обод, к которому прикреплен указанный первый трубопровод.
[0020] При необходимости опора содержит множество указанных круговых ободьев, выполненных на расстоянии друг от друга в виде по существу цилиндрической перфорированной барабанной конструкции, в которой коллектор указанного первого трубопровода прикреплен к множеству указанных круговых ободьев.
[0021] При необходимости теплообменник содержит опорную конструкцию, проходящую кольцеобразно и по меньшей мере частично в радиальном направлении между указанным коллектором и последующим коллектором соответствующего по меньшей мере одного первого трубопровода, причем последующий коллектор поддержан направляющим элементом, размещенным с возможностью кругового перемещения относительно перфорированной барабанной конструкции в ответ на изменение температурных условий.
[0022] При необходимости указанный коллектор выполнен жестким или по существу жестким и соединен по текучей среде с гибким трубопроводом.
[0023] При необходимости гибкий трубопровод соединен по текучей среде с жесткой или по существу жесткой коллекторной трубой.
[0024] При необходимости коллекторная трубка прикреплена в осевом направлении в определенном положении относительно опоры, но имеет возможность свободного перемещения, например, роста в радиальном направлении.
[0025] При необходимости ряды трубок в указанной секции первого трубопровода содержат множество рядов, размещенных на расстоянии друг от друга посредством разделителей, размещенных для противодействия аэродинамической нагрузке, прилагаемой к трубкам.
[0026] При необходимости элемент нагрузки, такой как прокладка, предусмотрен между трубками двух соседних указанных секций первого трубопровода для передачи нагрузки между ними, при обеспечении возможности относительного скольжения между ними в ответ на изменение температурных условий.
[0027] При необходимости элемент нагрузки по существу выровнен посредством разделителей с образованием проходящей по существу в радиальном направлении конструкции пути нагрузки для реагирования на аэродинамическую нагрузку, приложенную к трубкам, при обеспечении возможности относительного перемещения между соседними указанными первыми секциями трубопровода в ответ на изменение температурных условий.
[0028] При необходимости указанный теплообменник содержит множество указанных конструкций пути нагрузки, сформированных в последовательности, в которой они размещены на расстоянии друг от друга по существу по кругу.
[0029] Согласно второй особенности настоящего изобретения предложен двигатель летательного аппарата, содержащий секцию сгорания и теплообменник согласно первой особенности, при наличии или отсутствии какой-либо его дополнительной функции, предназначенный для охлаждения воздуха (в качестве второй текучей среды) в проточном канале, направленном к секции сгорания.
[0030] При необходимости указанный двигатель летательного аппарата содержит устройство подачи гелия для подачи гелия в качестве первой текучей среды, или другой рабочей текучей среды, такой как водород.
[0031] Согласно третьей особенности настоящего изобретения, предложен летательный аппарат, такой как воздушный летательный аппарат или орбитальная ракета-носитель, содержащий теплообменник согласно первой особенности, при наличии или отсутствии какой-либо его дополнительной функции.
[0032] Согласно четвертой особенности настоящего изобретения, предложен летательный аппарат, такой как воздушный летательный аппарат или орбитальная ракета-носитель, содержащий двигатель согласно второй особенности, при наличии или отсутствии какой-либо его дополнительной функции.
[0033] Согласно пятой особенности настоящего изобретения предложен теплообменник, имеющий множество секций первого трубопровода, размещенных с возможностью обеспечения сообщения потока первой текучей среды при теплообмене со второй текучей средой в проточном канале, проходящем через секции первого трубопровода, и опору для множества секций первого трубопровода, причем каждая из секций первого трубопровода содержит множество трубок для теплообмена, каждая секция первого трубопровода представляет собой спиральную секцию, содержащую множество трубок, проходящих по спирали вдоль рядов и размещенных на расстоянии друг от друга в рядах, причем по меньшей мере один элемент нагрузки размещен между трубками в размещенных на расстоянии друг от друга в радиальном направлении рядах для противодействия аэродинамической нагрузке, приложенной к трубкам.
[0034] При необходимости указанный элемент нагрузки содержит разделитель, соединяющий вместе, например, посредством спаивания, трубки в разнесенных в радиальном направлении рядах.
[0035] При необходимости указанный элемент нагрузки содержит элемент, такой как прокладка, размещенная между трубками двух соседних указанных секций первого трубопровода для передачи нагрузки между ними, при обеспечении возможности относительного скольжения между ними в ответ на изменение температурных условий.
[0036] При необходимости указанный элемент прикреплен к трубке в одной из указанных секций первого трубопровода и подвижно входит во взаимодействие с другой из указанных секций первого трубопровода.
[0037] При необходимости указанный элемент нагрузки содержит по меньшей мере один I-образный элемент.
[0038] При необходимости трубки в указанной секции первого трубопровода размещены в диапазоне от 1 до 40 рядов, размещенных на расстоянии друг от друга в радиальном направлении, например, на 4 таких ряда.
[0039] При необходимости трубки имеют длину примерно от 1 до 3 метров от первого коллектора до второго коллектора.
[0040] При необходимости трубки имеют диаметр, составляющий примерно 1 мм.
[0041] При необходимости трубки имеют толщину стенок, примерно составляющую 20-40 микрон.
[0042] При необходимости трубки размещены в виде примерно в 10-1000 рядов, размещенных на расстоянии друг от друга в радиальном направлении, например примерно в 70-100 таких рядов или от 70 до 200 или 500 таких рядов.
[0043] В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения трубки выполнены, по меньшей мере частично, из сплавного материала, например, из сплавов никеля или сплавов алюминия. При необходимости каждая трубка содержит первую часть, выполненную из первого материала, и вторую часть, выполненную из второго материала. Первая часть может заканчиваться на одном конце такой трубки, например на коллекторе, а вторая часть может заканчиваться на втором конце такой трубки, например, на другом коллекторе. Первая и вторая части могут быть соединены друг с другом, например, посредством втулки. Это может обеспечить возможность улучшения температурных свойств посредством использования первого материала в относительно горячей области теплообменника, а второй материал по причинам плотности или потерь должен быть использован в более холодной области.
[0044] Например, алюминиевый сплав может быть использован в более холодной области, а керамика или жаропрочный сплав в более горячей области. Каждая часть из первой и второй частей может быть соединена на одном своем конце с промежуточным коллектором.
[0045] При необходимости множество спиральных секций выполнены с внутренним вложением друг в друга и ориентированы с угловым разнесением относительно друг друга.
[0046] При необходимости указанные спиральные секции выполнены в форме цилиндрического барабана.
[0047] При необходимости опора содержит по меньшей мере один круговой обод, к которому прикреплен указанный первый трубопровод.
[0048] При необходимости опора содержит множество указанных круговых ободьев, которые выполнены с разнесением друг от друга в перфорированной по существу цилиндрической барабанной конструкции, и в которой предусмотрен по меньшей мере один элемент лонжерона для поддержки с взаимодействием соседней указанной трубки в месте, ориентированном по существу в радиальном направлении с по меньшей мере одним указанным элементом нагрузки.
[0049] При необходимости множество указанных элементов нагрузки размещено в проходящей по существу в радиальном направлении конструкции пути нагрузки для реагирования на аэродинамическую нагрузку, приложенную к трубкам.
[0050] При необходимости конструкция пути нагрузки приспособлена для обеспечения возможности относительного перемещения между трубками указанных соседних первых секций трубопровода в ответ на изменение температурных условий.
[0051] Согласно шестой особенности настоящего изобретения предложен двигатель летательного аппарата, содержащий секцию сгорания и теплообменник согласно пятой особенности, при наличии или отсутствии какой-либо его дополнительной функции, предназначенный для охлаждения воздуха, в качестве второй текучей среды, в проточном канале, направленном к секции сгорания.
[0052] При необходимости указанный двигатель летательного аппарата содержит устройство подачи гелия для подачи гелия в качестве первой текучей среды.
[0053] Согласно седьмой особенности настоящего изобретения предложен летательный аппарат, такой как воздушный летательный аппарат или орбитальная ракета-носитель, содержащий теплообменник согласно пятой особенности настоящего изобретения, при наличии или отсутствии какой-либо его дополнительной функции.
[0054] Согласно восьмой особенности настоящего изобретения предложен летательный аппарат, такой как воздушный летательный аппарат или орбитальная ракета-носитель, содержащий двигатель согласно шестой особенности, при наличии или отсутствии какой-либо его дополнительной функции.
[0055] Согласно девятой особенности настоящего изобретения предложен теплообменник, содержащий по меньшей мере одну секцию первого трубопровода, размещенную с возможностью обеспечения сообщения потока первой текучей среды с теплообменом со второй текучей средой в проточном канале, проходящем через по меньшей мере одну секцию первого трубопровода, причем каждая секция первого трубопровода содержит проточный канал через по меньшей мере одну трубку от впускного отверстия до выпускного отверстия, и промежуточный коллектор размещен в проточном канале между впускным отверстием и выпускным отверстием для связи по потоку с промежуточным проточным каналом текучей среды.
[0056] При необходимости каждое впускное и выпускное отверстия содержат трубку коллектора.
[0057] При необходимости трубки коллектора выполнены прямолинейными.
[0058] При необходимости по меньшей мере одна секция первого трубопровода содержит множество трубок первого потока, проходящих от впускного отверстия до промежуточного коллектора для выполнения потока между ними, и множество трубок второго потока, проходящих от промежуточного коллектора до выпускного отверстия для выполнения потока между ними.
[0059] При необходимости длина трубки первого потока плюс длина трубки второго потока составляет примерно 2-3 метра.
[0060] При необходимости трубки первого потока и/или трубки второго потока составляют примерно 1 мм в диаметре.
[0061] При необходимости трубки первого потока и/или трубки второго потока обладают толщиной стенок, примерно составляющей 20-40 микрон.
[0062] При необходимости указанная секция первого трубопровода содержит спиральную секцию, содержащую трубки первого и второго потоков, проходящие по спирали вдоль рядов и разнесенные друг от друга в рядах.
[0063] При необходимости указанный теплообменник содержит контроллер для управления давлением в промежуточном проточном канале.
[0064] При необходимости контроллер содержит клапан потока.
[0065] При необходимости промежуточный коллектор содержит внешний корпус для окружения первой текучей среды и инжектор для введения промежуточного потока текучей среды во внешний корпус.
[0066] При необходимости инжектор содержит трубку, содержащую последовательность отверстий для потока, размещенных на расстоянии друг от друга вдоль трубки для введения текучей среды во внешний корпус.
[0067] При необходимости каждый элемент из внешнего корпуса и инжектора содержит прямолинейную вытянутую трубку.
[0068] При необходимости указанные последовательности включают множество рядов, размещенных на расстоянии друг от друга вдоль продольного направления внешнего корпуса, причем трубки в указанных размещенных на расстоянии друг от друга рядах связаны по текучей среде с внешним корпусом в соответствующих разнесенных на некоторое расстояние местах вдоль их длины.
[0069] В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения трубки выполнены, по меньшей мере частично, из сплавного материала, например, из сплавов никеля или сплавов алюминия. При необходимости каждая трубка содержит первую часть, выполненную из первого материала и вторую часть, выполненную из второго материала. Первая часть может быть окончена на одном конце такой трубки, например, на коллекторе, а вторая часть может быть окончена на втором конце такой трубки, например, на другом коллекторе. Первая и вторая части могут быть соединены друге другом, например, посредством втулки. Это может обеспечить возможность улучшения температурных свойств посредством использования первого материала в относительно горячей области теплообменника, а второй материал по причинам плотности или потерь должен быть использован в более холодной области.
[0070] Например, алюминиевый сплав может быть использован в более холодной области, а керамика или жаропрочный сплав в более горячей области. Каждая часть из первой и второй частей может быть соединена одним своим концом к промежуточному коллектору.
[0071] Согласно десятой особенности настоящего изобретения предложен теплообменник, содержащий по меньшей мере одну секцию первого трубопровода, размещенную с возможностью обеспечения сообщения потока первой текучей среды с теплообменом со второй текучей средой в проточном канале, проходящем по меньшей мере через одну секцию первого трубопровода, причем каждый первый трубопровод содержит проточный канал по меньшей мере через одну трубку от впускного отверстия до выпускного отверстия, и по меньшей мере одна из указанных трубок содержит первую и вторую части, проходящие вдоль них, которые выполнены из различных по отношению друг к другу материалов.
[0072] Согласно одиннадцатой особенности настоящего изобретения предложен способ эксплуатации теплообменника согласно девятой особенности, содержащего или не содержащего какую-либо дополнительную его функцию, который включает протекание гелия по меньшей мере через один первый трубопровод и через промежуточный проточный канал для текучей среды.
[0073] При необходимости указанный способ эксплуатации теплообменника включает протекание воздуха в качестве второй текучей среды в проточном канале мимо по меньшей мере одного первого трубопровода.
[0074] Согласно двенадцатой особенности настоящего изобретения предложен двигатель, такой как двигатель летательного аппарата, содержащий секцию сгорания и теплообменник согласно девятой или десятой особенности, при наличии или отсутствии какой-либо их дополнительной функции, приспособленный для охлаждения воздуха (в качестве второй текучей среды) в проточном канале, направленном к секции сгорания.
[0075] При необходимости указанный двигатель содержит устройство подачи гелия для подачи гелия в качестве первой текучей среды.
[0076] Согласно тринадцатой особенности настоящего изобретения предложен летательный аппарат, такой как воздушный летательный аппарат или орбитальная ракета-носитель, который содержит теплообменник согласно девятой или десятой особенности, при наличии или отсутствии какой-либо их дополнительной функции.
[0077] Согласно четырнадцатой особенности настоящего изобретения предложен летательный аппарат, такой как воздушный летательный аппарат или орбитальная ракета-носитель, который содержит двигатель согласно двенадцатой особенности, при наличии или отсутствии какой-либо его дополнительной функции.
[0078] Согласно пятнадцатой особенности настоящего изобретения предложена опорная конструкция для теплообменника, имеющего по меньшей мере одну секцию первого трубопровода, размещенную с возможностью обеспечения сообщения потока первой текучей среды с теплообменом с текучей средой секции в проточном канале, проходящем по меньшей мере через одну секцию первого трубопровода, причем опорная конструкция содержит по существу цилиндрическую перфорированную барабанную конструкцию.
[0079] При необходимости указанная опорная конструкция содержит множество взаимно разнесенных в осевом направлении кольцевых элементов опоры.
[0080] При необходимости указанная опорная конструкция содержит множество взаимно разнесенных в радиальном направлении элементов лонжерона, которые приспособлены к поддерживающему взаимодействию с указанными секциями первого трубопровода в ориентированной по существу в радиальном направлении конструкции пути нагрузки.
[0081] При необходимости кольцевые элементы опоры выполнены с подшипниками и/или крепежными конструкциями для расположения трубок коллектора секций первого трубопровода на кольцевых элементах опоры.
[0082] При необходимости кольцевые элементы опоры и элементы лонжерона выполнены с по существу прямоугольными или квадратными промежутками потока между ними.
[0083] При необходимости указанная опорная конструкция содержит по меньшей мере один диагонально прикрепленный связующий элемент, проходящий через и внутри или рядом с по меньшей мере одним из промежутков, например, по диагонали через него.
[0084] При необходимости каждый указанный промежуток содержит два диагонально прикрепленных указанных связующих элемента, образованных в виде Х-образной конфигурации, образуя, тем самым четыре по существу треугольные отверстия для прохождения потока в области каждого указанного промежутка.
[0085] Согласно шестнадцатой особенности настоящего изобретения предложен теплообменник для охлаждения текучей среды в проточном канале и содержащий компонент, склонный к фазовому переходу при температуре ниже его температуры, причем теплообменник содержит последовательность трубок для прохождения охладителя и инжектор для введения антифриза в текучую среду в проточном канале.
[0086] При необходимости инжектор представляет собой инжектор антифриза, такой как инжектор метанола, устроенный для соединения с источником метанола.
[0087] При необходимости указанный теплообменник содержит устройство удаления, предназначенное для удаления жидкости, расположенной внутри тела перемещаемой текучей среды в проточном канале.
[0088] При необходимости устройство удаления расположено внизу по потоку от инжектора.
[0089] При необходимости устройство удаления содержит по меньшей мере одно устройство или элемент захвата, размещенное проходящим по существу поперек к общему направлению потока текучей среды мимо него.
[0090] При необходимости указанный теплообменник содержит по меньшей мере один ряд указанных элементов захвата.
[0091] При необходимости элементы захвата размещены на расстоянии друг от друга в ряду на величину промежутка, которая меньше максимального поперечного размера каждого элемента захвата в направлении промежутка.
[0092] При необходимости величина промежутка составляет примерно одну четверть, одну треть или половину от указанного максимального поперечного размера.
[0093] При необходимости устройство захвата содержит второй ряд элементов захвата, причем второй ряд элементов захвата размещен со смещением (в направлении от одного элемента захвата до другого вдоль ряда) относительно первого ряда элементов захвата.
[0094] При необходимости элементы захвата в первом и втором рядах размещены на расстоянии от элементов захвата в том же самом ряду по существу на такое же самое расстояние, на которое они размещены на расстоянии от элементов захвата в другом ряду.
[0095] При необходимости каждый элемент захвата проходит в продольном направлении и имеет по меньшей мере в одной точке вдоль своей длины по существу круговое поперечное сечение.
[0096] При необходимости каждый элемент захвата представляет собой полую трубку, содержащую по меньшей мере один (например, множество) карман для сбора жидкости, размещенный на ее внешней поверхности.
[0097] При необходимости полая трубка образована гидроформингом из металлического материала.
[0098] При необходимости каждый карман для сбора жидкости содержит отверстие для продувки, проходящее из кармана во внутренний трубопровод полой трубки, причем отверстие для продувки обладает малым размером для ограничения потока воздуха, втягиваемого в него вместе с жидкостью.
[0099] При необходимости указанный теплообменник содержит сетку, покрывающую каждый карман и образующую полость между каждым карманом и сеткой. Сетка может быть выполнена по существу плоской в области каждого кармана. Промежуток позади каждой такой части сетки образует полость. Физическое присутствие элемента захвата позволяет воздуху выполнять быстрое перемещение вокруг элемента захвата при отсутствии инерциального отделения жидкости от воздуха. При наличии сетки на месте жидкость в потоке может выполнять перемещение в сетку и быть захвачена ею, но воздух может продолжать течь вокруг элементов захвата.
[0100] При необходимости сетка представляет собой сетку размером от 25 микрон до 100 микрон, например сетку размером 50 микрон.
[0101] При необходимости сетка покрыта смачивающим реактивом.
[0102] При необходимости сетка покрыта двуокисью кремния.
[0103] При необходимости указанный теплообменник содержит систему всасывания, связанную по текучей среде с полой трубкой для удаления жидкости из карманов сбора.
[0104] При необходимости указанный теплообменник содержит второе указанное устройство удаления, размещенное вниз по течению от указанного устройства удаления. Также предусмотрены варианты реализации настоящего изобретения с тремя или большим количеством указанных устройств удаления.
[0105] Инжектор антифриза может содержать множество инжекционных частей и может быть размещен с возможностью инжекции более концентрированного антифриза в первой инжекционной части в первой области потока воздуха и в большей степени разбавленного (с водой) антифриза во второй инжекционной части, расположенной выше по течению, чем первая инжекционная части во второй области потока воздуха, более теплой, чем первая область. Вода получена конденсацией из воздуха, проходящего через теплообменник, вследствие влажности воздуха.
[0106] Теплообменник может содержать путь рециркуляции для рециркуляции антифриза и жидкой воды, удаленной из потока воздуха, во втором (или последующем) устройстве удаления для выполнения повторной операции инжекции вверх по течению от первого устройства удаления во второй инжекционной части. Таким образом, каждая такая повторная операция инжекции из последовательности множества таких повторных операций инжекции при необходимости может инжектировать более разбавленный антифриз в более теплый воздух и выше по течению в потоке воздуха по сравнению с предыдущей операцией инжекции и, таким образом, антифриз может быть повторно инжектирован в последовательности точек повторной инжекции вдоль пути, противоположного направлению прохождения потока воздуха через теплообменник. Таким образом, это может быть рассмотрено как своего рода "противоток" системы инжекции антифриза даже при том, что антифриз, при инжекции в поток воздуха, течет вместе с воздухом. Причина дополнительного разбавления состоит в конденсации воды, поступающей из воздуха, проходящего через теплообменник. Пойманный или захваченный антифриз (например, метанол) и вода могут затем быть повторно инжектированы (при разбавленном в большей степени антифризе) в поток воздуха в точке, расположенной дальше вверх по потоку, чем предыдущая операция инжекции, проводимая в месте с более теплым воздушным потоком. Эта рециркуляция антифриза обеспечивает возможность длительной работы без необходимости использования слишком большого количества антифриза, поскольку один и тот же антифриз может быть инжектирован и затем уловлен; и затем он может быть повторно инжектирован и снова уловлен два или большее количество раз в зависимости от количества устройств удаления с элементами захвата, которые использованы через теплообменник. Это также обеспечивает возможность все более концентрированного содержания метанола, поскольку поток становится более холодным.
[0107] При необходимости указанный теплообменник приспособлен для охлаждения воздуха до температуры ниже 0 градусов по Цельсию.
[0108] При необходимости указанный теплообменник приспособлен для охлаждения воздуха до температуры примерно минус 100 градусов по Цельсию или ниже ее, например, до температуры около минус 140 градусов по Цельсию, или до точки перехода воздуха в жидкую фазу, примерно - 195 градусов по Цельсию.
[0109] При необходимости указанный теплообменник содержит средство управления для управления тем, чтобы среда около самого холодного элемента захвата представляла собой метанол с концентрацией примерно 80 молярных процентов или примерно 88 весовых процентов (на фазовой диаграмме твердое тело - жидкость для воды и метанола), при приближении температуры примерно к минус 100 градусов по Цельсию. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения среда около самого холодного элемента захвата может быть метанолом с концентрацией примерно от 70 до 90 молярных процентов, при приближении температуры к значению примерно - 100 градусов по Цельсию или понижении ниже этого значения (на фазовой диаграмме твердое тело - жидкость для воды и метанола), например, примерно от 75 до 85 молей молярных процентов или 78-82 молярных процентов.
[0110] При необходимости устройства захвата образованы и построены с достаточным количеством элементов захвата для удаления более 90% содержания воды из воздуха, например, больше 95%, и в качестве одного примера примерно 99%.
[0111] Согласно семнадцатой особенности предложен узел теплообменника, выполненный проходящим продольно в своем продольном направлении, который содержит по меньшей мере один по существу кольцевой модуль теплообменника, размещенный с возможностью связи с проходящим в продольном направлении патрубком и расположенный вдоль и вокруг указанного проходящего в продольном направлении патрубка, причем по меньшей мере одна направляющая лопатка предусмотрена для поворота потока между одним и другим направлением, выбранным из (а) по существу радиального направления через модуль теплообменника и (b) по существу продольного направления вдоль проходящего в продольном направлении патрубка, причем указанная по меньшей мере одна направляющая лопатка имеет продольную протяженность вдоль проходящего в продольном направлении патрубка.
[0112] Направляющая лопатка может быть приспособлена к повороту потока от по существу радиального направления к по существу продольному направлению.
[0113] Направляющая лопатка может быть выполнена кольцевой или подобной кольцу.
[0114] Направляющая лопатка может иметь переднюю кромку и заднюю кромку и при необходимости выполнена по существу с постоянной толщиной между передней кромкой и задней кромкой.
[0115] Передняя кромка может быть размещена под углом, примерно составляющим от 5 до 20 градусов относительно радиального направления, например, составляющим примерно 10 градусов. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения эта величина может быть за пределами этого диапазона.
[0116] Задняя кромка может быть размещена под углом, примерно составляющим от 5 до 15 или примерно от 8 до 12 градусов относительно продольного направления. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения эта величина может быть за пределами этих диапазонов.
[0117] Направляющая лопатка может проходить в продольном направлении, а также направляющая лопатка может содержать расширенную с искривлением ведущую секцию (которая при необходимости по существу представляет собой дугу в поперечном разрезе) и по существу коническую заднюю секцию, причем задняя секция проходит на примерно от 50 до 85% от продольной вытянутости.
[0118] Узел теплообменника может содержать множество указанных направляющих лопаток, которые при необходимости размещены в виде взаимно перекрываемых последовательностей вдоль патрубка, проходящего в продольном направлении.
[0119] Лопатки могут быть размещены с сужением между ними для ускорения потока. Таким образом, поток может быть ускорен до по существу одинаковой скорости на каждой лопатке в виде скорости выпуска материала из продольно проходящего патрубка. Это способствует поддержанию однородности давления и массового расхода потока вверх по течению от лопаток и при прохождении через модуль теплообменника.
[0120] Узел теплообменника может содержать множество указанных модулей теплообменника, размещенных в виде последовательности вдоль и вокруг указанного проходящего в продольном направлении патрубка, и может быть обеспечен последовательностью указанных направляющих лопаток, проходящих рядом и по меньшей мере по существу вдоль полной продольной протяженности по меньшей мере одного, при необходимости всех, из указанных модулей теплообменника. Это способствует поддержанию однородности давления и массового расхода потока вверх по течению от лопаток и при прохождении через модули теплообменника. Таким образом, два или большее количество по существу кольцевых указанных модулей теплообменника могут быть образованы вокруг проходящего в продольном направлении патрубка и размещены в виде последовательности вдоль его. Поток может проходить полностью и/или по существу во внутреннем радиальном направлении через каждый модуль теплообменника в проходящий в продольном направлении патрубок. Лопатки обеспечивают возможность выработки по существу постоянного статического давления в патрубке вниз по потоку от них и, следовательно, равномерный поток проходит через модули теплообменника.
[0121] Хотя модули теплообменника могут иметь одинаковый размер (включая диаметр или максимальный поперечный размер) по сравнению друг с другом, в других вариантах реализации настоящего изобретения они могут иметь различные размеры, например, будучи последовательностью по существу барабанных устройств с различными диаметрами по сравнению друг с другом. Однако, модули могут быть приспособлены для работы с одинаковыми массовым потоком и перепадом давления по сравнению друг с другом и могут содержать одинаковое количество рядов трубок теплообменника по сравнению друг с другом и в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения могут иметь одинаковую разность между внешним диаметром и внутренним диаметром (трубок, присутствующих в модуле).
[0122] Согласно восемнадцатой особенности предложен двигатель, содержащий теплообменник согласно семнадцатой особенности настоящего изобретения, причем теплообменник размещен вверх по течению от воздушного компрессора и/или блока сгорания двигателя.
[0123] Согласно девятнадцатой особенности настоящего изобретения предложен двигатель, такой как двигатель летательного аппарата, содержащий секцию сгорания и теплообменник согласно шестнадцатой особенности при наличии или отсутствии какой-либо его дополнительной функции, приспособленный для охлаждения воздуха в проточном канале, направленном к секции сгорания.
[0124] При необходимости указанный двигатель содержит устройство подачи гелия для подачи гелия как охладителя, протекающего через теплообменник.
[0125] Согласно двадцатой особенности настоящего изобретения предложен летательный аппарат, такой как воздушный летательный аппарат или орбитальная ракета-носитель, содержащий теплообменник согласно шестнадцатой особенности при наличии или отсутствии какой-либо его дополнительной функции.
[0126] Согласно двадцать первой особенности настоящего изобретения предложен летательный аппарат, такой как воздушный летательный аппарат или орбитальная ракета-носитель, содержащий двигатель согласно восемнадцатой или девятнадцатой особенности при наличии или отсутствии какой-либо их дополнительной функции.
[0127] Таким образом, в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения теплообменник выполнен по существу в виде барабана и содержит множество спиральных секций, каждая из которых содержит многочисленные трубки малого диаметра из сплава металла. Спиральные секции закручены в спираль внутри друг друга. В некоторых примерах длина каждой трубки составляет примерно от 2 до 3 метров, диаметр составляет примерно 1 миллиметр и толщина стенок составляет примерно от 20 до 40 микрон или около этого.
[0128] Каждая спиральная секция содержит вытянутую в осевом направлении трубку впускного коллектора для охладителя, которая жестко прикреплена к центральной втулке опоры. Трубы каждой спиральной секции с уплотнением соединены на одном своем конце, например, посредством пайки, с трубкой впускного коллектора и проходят в радиальном направлении в небольшом количестве рядов (например, в качестве определенных примеров от примерно 1 до 10 рядов, 2, 3, 4, 5, 6 или 7 рядов) и в осевом направлении в большом количестве рядов, например, от примерно 75 до 100 рядов или больше 100 рядов. Все эти различные тонкие трубки выходят по спирали из трубки впускного коллектора к трубке выпускного коллектора, к которой они также присоединены с уплотнением, например, посредством пайки. В других вариантах реализации настоящего изобретения направление потока может быть Изменено на обратное таким образом, что впускные коллекторы размещены в месте, направленном наружу в радиальном направлении, а выпускные коллекторы размещены в месте, направленном внутрь в радиальном направлении, и воздух может протекать через теплообменник в радиальном направлении наружу, что по существу представляет собой противоток к охладителю в трубках, которым может быть гелием.
[0129] Кроме того, при изменениях температуры во время эксплуатации теплообменника или по иным причинам трубки впускного коллектора остаются прикрепленными по существу в определенном положении относительно внутренней втулки опоры. Однако, вследствие теплового расширения происходит изменение длины труб малого диаметра и различные спиральные секции скользят друг по другу по существу круговым образом, и трубки выпускного коллектора также выполняют перемещение относительно внутренней втулки опоры. Следовательно, теплообменник может быть термически зациклен много раз вследствие существенного ослабления термического напряжения, даже при более чем 100 или до 200 или при большем количестве полных циклов полета.
[130] Кроме того, в различных точках вдоль их длины, трубки в каждой спиральной секции могут быть скреплены вместе для обеспечения опоры, например, посредством спаивания, и каждый ряд трубок, соседствующий с рядом соседней спиральной секцией, может быть снабжен отражательной перегородкой, разделителем или прокладкой, которые полностью проходят вдоль трубок в осевом направлении и немного в радиальном направлении на примерно от 1 до 10 миллиметров или около этого. Отражательные перегородки или прокладки в соседних спиральных секциях могут с возможностью скольжения упираться друг в друга, или отражательная перегородка или прокладка одной спиральной секции могут с возможностью скольжения взаимодействовать с соседними трубками потока текучей среды из соседней спиральной секции. Вследствие опорного прикрепления трубок в каждой секции и примыкания с возможностью скольжения не только все спиральные секции способны легко выполнять расширение и сокращение, как это им необходимо во время термического циклирования, но радиальная лобовая нагрузка нагревателя, например, воздуха, проходящего через теплообменник снаружи и между трубками малого диаметра, может быть передана во внутреннем (или внешнем) направлении через все эти спиральные секции в пути большой по существу радиальной нагрузки, чему может противодействовать внутренняя втулка опоры, или внешняя втулка опоры в случае потока воздуха, направленного в радиальном направлении наружу.
[0131] В случае теплообмена при противотоке между распространяющимся в радиальном направлении воздушным потоком (нагреватель) и противоположно распространяющимся в радиальном направлении закрученным в спираль потоком гелиевого охладителя в узких трубках, искривленная система патрубков может быть предусмотрена в радиальном направлении вне теплообменника для искривления при приближении осевого потока воздуха к теплообменнику или при возбуждении осевого потока воздуха, покидающего теплообменник в случае распространения во внешнем направлении потока воздуха через теплообменник. При использовании этого типа конструкции трубок теплообменника относительно хорошо предохранены и в случае проблем, например, при столкновении с птицами или при попадании других предметов, вызывающих отказ двигателя после отрыва от земли, маловероятно повреждение трубок с гелием, двигатель может легко быть отключен и со сливом или без слива топлива для достижения посадочного веса ниже максимального значения летательный аппарат может иметь хорошую вероятность выполнения успешной посадки с соответствующим отключенным двигателем.
[0132] Внутренняя втулка может быть снабжена перфорированной конструкцией или конструкцией типа «птичья клетка» для обеспечения возможности нагревателю, например, воздуху пройти через нее без существенных потерь. Втулка может содержать круговые кольца на каждом своем конце в виде последовательности элементов лонжерона, взаимно расположенных на одной окружности и проходящих в осевом направлении, например, примерно от 10 до 50 указанных элементов лонжерона, а также один или большее количество промежуточных круговых колец, размещенных на расстоянии друг от друга в виде последовательности вдоль втулки опоры. Элементы лонжерона могут быть размещены друг от друг друга примерно на то же самое расстояние, что и кольца, с образованием по существу квадратных форм или промежутков, которые могут быть усилены Х-образными диагональными элементами, так что все перфорации, проходящие через внутреннюю втулку опоры, представляют собой треугольники. Было обнаружено, что эта конструкция обеспечивает форму с малым весом, которая в значительной степени прочна для противодействия нагрузкам, приложенным по существу в радиальном внутреннем направлении, которые могут быть приложены к ней без образования существенных потерь потока, а также выдерживает гравитационные и инерционные нагрузки во время полета. В случае устройства с перемещением воздуха в радиальном внешнем направлении подобная втулка опоры или «птичья клетка» могут быть реализованы в радиальном направлении вне трубок с охладителем.
[0133] Возможно разместить одну или большее количество трубок промежуточного коллектора, расположенных в части своего пути вдоль маршрута трубок малого диаметра от их впускных коллекторов до их выпускных коллекторов. Таким образом, эти трубки могут быть концептуально рассмотрены как «обрезанная» часть пути вдоль их длины, причем каждый из обрезанных концов прикреплен к трубке промежуточного коллектора. Внутренняя трубка промежуточной подачи может быть введена внутрь трубки промежуточного коллектора для прохождения по существу всего пути вдоль ее длины, причем трубка промежуточной подачи содержит последовательность выпускных отверстий, сформированных в виде последовательности, проходящей вдоль ее длины. Во время эксплуатации теплообменника охладитель может быть введен в теплообменник не только в трубках впускного коллектора, но также и во внутренних трубках промежуточной подачи, так что дополнительный охладитель может быть добавлен в трубках промежуточного коллектора, и различные скорости массового расхода охладителя могут иметь место в различных частях теплообменника, обеспечивая возможность конструкции с одним теплообменником действовать, как если бы она представляла собой множество различных теплообменников, но со стоимостью и сложностью одного теплообменника. Специалистам в данной области техники очевидно, что для добавления дополнительного количества охладителя в трубках промежуточного коллектора, давлением подачи в трубках промежуточного коллектора можно управлять так, чтобы оно было аналогичным или тем же самым, как давление соседнего охладителя в трубках малого диаметра. Использование внутренних трубок промежуточной подачи с последовательностью выпускных отверстий, образованных, таким образом, в виде определенной последовательности, гарантирует, что условия равномерного потока могут быть достигнуты вдоль осевой длины теплообменника.
[0134] Теплообменник согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, предназначенному для описания здесь, содержит систему управления образованием инея и после полевых испытаний, проведенных для испытательного теплообменника при конфиденциальных условиях для Европейского космического агентства от имени правительства Соединенного Королевства, Европейское космическое агентство подтверждает успешную демонстрацию устройства управления образованием инея в лабораторном масштабе. Проверенный теплообменник включал в общей сложности более 40 километров трубок малого диаметра при весе меньше 50 килограммов, и входящий поток воздуха был охлажден до температуры минус 150°С быстрее, чем за 20 миллисекунд. Никакая закупорка инеем не была замечена во время работы при низкой температуре, и Европейское космическое агентство заявило, что они уверены, что теперь может быть выполнено наземное демонстрационное испытание двигателя.
[0135] Таким образом, теплообменник может быть снабжен одной или большим количеством зон с резким изгибом в каждой спиральной секции, причем каждая зона с резким изгибом содержит короткую вытянутую в радиальном направлении секцию. Таким образом, каждая спиральная секция не выполнена полностью спиральной по форме, но содержит первую по существу спиральную часть и затем короткую радиальную часть, сопровождаемую другой по существу спиральной частью и так далее. Эта конструкция вызывает наличие по существу дугообразной форма блока между резкими изгибами соседних спиральных секций.
[0136] Внутри промежутков дугообразного блока расположена последовательность одного или двух разнесенных в радиальном направлении и расположенных по кругу со смещением рядов элементов захвата. Каждый элемент захвата может содержать трубку, имеющую внутренность, которая может быть соединена с системой всасывания для отсасывания содержимого множества внешних карманов, размещенных на расстоянии друг от друга вдоль элемента захвата на его передней грани, причем карманы соединены посредством сквозных отверстий с внутренностью трубки. Карманы на передней грани элемента захвата могут быть покрыты сеткой размером 50 микрон с покрытием из окиси кремния, что образует пористую переднюю поверхность кармана. Смачивающий реактив, отличный от окиси кремния, может быть использован в других вариантах реализации настоящего изобретения, как и сетки других размеров.
[0137] В этом варианте реализации настоящего изобретения, при использовании метанола или другого материала-антифриза, система инжекции расположена вверх по течению от элементов захвата и при конденсации воды из потока происходит ее смешение с метанолом, что сохраняет воду в виде жидкости вместо замораживания, и эта смесь отделена от потока воздуха посредством инерционного разделения при контакте с влажной сеткой элементов захвата, с последующим отсосом посредством пониженного давления через карманы и сквозные отверстия и уносом вдоль элементов захвата. При наличии множества указанных зон резкого изгиба в каждой спиральной секции еще один набор подобных элементов захвата может быть использован в образуемых далее промежутках дугообразного блока. В этом случае, в примере, когда поток воздуха идет в радиальном внутреннем направлении и охлаждается, например, гелием в узких трубках, чистый или относительно концентрированный метанол может быть введен в самую дальнюю в радиальном направлении секцию дугообразного блока или непосредственно вверх по течению от него и затем, по меньшей мере частично, пойман в смеси с водой соответствующими элементами захвата, и эта в большей степени разбавленная смесь может затем быть рециркулирована далее в радиальном направлении наружу в теплообменнике с более высокой температурой и поймана снова. Таким образом, можно полагать, что в этом варианте реализации настоящего изобретения метанол выполняет перемещение по существу в виде радиального противопотока относительно воздуха, что уменьшает необходимое потребление метанола для предотвращения замораживания и закупоривания.
[0138] Метанол может быть полностью отделен от воды после использования, но в качестве альтернативы ему может быть позволено проходить вместе в подаваемым в двигатель воздухом в секцию сгорания двигателя, где он может способствовать тяге. По время работы системы управления тягой вес метанола (продукт сгорания), инжектированного назад из сопел главного ракетного двигателя, в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения способен добавлять 2% к величине тяги. Кроме того, потеря веса метанола летательным аппаратом может быть желательной для обеспечения возможности достижения более высокой скорости летательного аппарата в ответ на тягу двигателя позднее во время полета.
[0139] Описанная здесь система контроля за образованием инея способна обычно удалять 99% содержания воды из воздуха.
[0140] Условиями в теплообменнике можно тщательно управлять таким образом, что при рассмотрении на фазовой диаграмме твердая фаза-жидкость для воды и метанола среда вблизи самых холодных элементов захвата попадает в диапазон порядка 80 молярных процентов или примерно 88 весовых процентов метанола при приближении температуры к минус 100°С.
[0141] Два вышеупомянутых разнесенных в радиальном направлении и расположенных по кругу со смещением ряда элементов захвата могут быть сформированы с передними элементами ряда, размещенными по кругу примерно на половине пути между соседними элементами заднего ряда. Передние элементы захвата могут действовать как тела необтекаемой формы, отклоняющие конденсат, который, возможно, нарос на узких содержащих охладитель трубках в потоке по существу направленном к элементам захвата в заднем ряду. Это означает, что примерно 95% текучей среды, удаленной этими двумя рядами, может быть удалено задним рядом и только 5% передним рядом. Таким образом, в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения передний ряд элементов захвата может быть заменен пассивным рядом элементов в виде тел необтекаемой формы, которые могут быть выполнены плоскими листами со щелями или разрезами, противостоящими элементам захвата.
[0142] Теплообменник может быть снабжен прокладками из фольги в форме отражателя в области коротких проходящих в радиальном направлении частей трубок малого диаметра для обеспечения возможности направления потока жидкости к элементам захвата, а не легко по кратчайшему пути через трубки в областях этих радиальных секций. Кроме того, промежутки между трубками в этих проходящих в радиальном направлении частях предпочтительно уплотнены.
[0143] Таким образом, предположено, что система контроля за образованием инея может быть использована в нижней атмосфере для удаления воды из потока воздуха таким образом, что не происходит образования инея и закупоривания теплообменника. При подъеме летательного аппарата к верхним слоям тропосферы и в стратосферу, например, до высоты примерно 10 километров, около того или несколько выше, больше нет количества присутствующего водяного пара, достаточного для образования вызывающего проблему обледенения, и система контроля за образованием инея может быть выключена посредством отключения насосов метанола и насосов, обеспечивающих отсос для элементов захвата.
[0144] Даже при том, что в случае необходимости теплообменник способен охладить воздух до его точки сжижения вблизи отверстия выпуска воздуха из теплообменника, то есть около внутренней «птичьей клетки» при перемещении потока во внутреннем радиальном направлении, система контроля за образованием инея установлена так, что удаление значительного большинства воды с метанолом назад в теплообменник происходит при более высокой температуре. При очень низких температурах, ниже примерно минус 50°С и далее весь путь вниз до температуры примерно минус 140°С любое остающееся жидкое содержимое метанол-вода, при его затвердевании, испытывает превращение непосредственно в массовый лед, а не в перистый иней, который может быть образован при более высоких температурах посредством прямой сублимации из пара, что в меньшей степени вызывает проблемы с блокированием.
[0145] При возвращении обратно в атмосферу с высокой скоростью летательного аппарата многократного использования, такого как летательный аппарат SKYLON или подобного летательного аппарата, использующего теплообменник, воздухозаборные обтекатели к двигателю могут быть закрыты. Даже при отсутствии проходящего через теплообменник воздуха гелий может циркулировать вокруг трубок малого диаметра для предотвращения перегрева теплообменника и потенциально также расположенных вблизи компонентов, нагреваемых вследствие аэродинамического нагрева через внешний корпус двигателя после впуска в плотные слои атмосферы.
[0146] В других вариантах реализации настоящего изобретения отличные от гелия текучие среды, например, водород, могут протекать вдоль внутренности трубок теплообменника. Вместо работы в качестве теплообменника на гелии/воздухе, теплообменник может (например) работать в качестве теплообменника на водороде/другой текучей среде. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения трубки теплообменника выполнены по существу круговыми в поперечном сечении, хотя в других вариантах реализации настоящего изобретения могут быть использованы другие формы.
Краткое описание чертежей
[0147] Настоящее изобретение может быть выполнено различными способами и один предпочтительный вариант реализации теплообменника, двигателя и летательного аппарата в соответствии с настоящим изобретением будет теперь описан в качестве примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
[0148] На фиг. 1А показан вид сбоку для одного предпочтительного варианта реализации воздушного летательного аппарата, содержащего двигатель с теплообменником в соответствии с предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения;
[0149] На фиг. 1В показан сверху воздушного летательного аппарата по фиг. 1А;
[0150] На фиг. 1С показан вид сзади воздушного летательного аппарата по фиг. 1А;
[0151] На фиг. 2 схематически показан вид двигателя известного уровня техники;
[0152] На фиг. 3 схематически показана схема цикла для двигателя по фиг. 2, который был модифицирован для включения теплообменника в соответствии с предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения;
[0153] На фиг. 4А показан изометрический вид предпочтительного варианта реализации теплообменника в соответствии с настоящим изобретением, причем теплообменник использован как модифицированный теплообменник в модификации двигателя по фиг. 2 с циклом, показанным на фиг. 3;
[0154] На фиг. 4В показан подробный вид области А на фиг. 4А;
[0155] На фиг. 5А показано сечение теплообменника по линии Y-Y на фиг. 5В;
[0156] На фиг. 5В показан вид сбоку теплообменника, рассматриваемого в радиальном внутреннем направлении;
[0157] На фиг. 6 показан изометрический вид «птичьей клетки» в виде барабана или перфорированной опоры втулки для теплообменника;
[0158] На фиг. 7А подробно показан вид детали А на фиг. 7Е;
[0159] На фиг. 7В подробно показан вид детали В на фиг. 7Е;
[0160] На фиг. 7С подробно показан вид детали С на фиг. 7Е;
[0161] На фиг. 7D подробно показан вид детали D на фиг. 7Е;
[0162] На фиг. 7Е схематически показано сечение через спиральную секцию теплообменника, показанного на фиг. 7F, при рассмотрении снизу вверх на фиг. 7F;
[0163] На фиг. 7F показан изометрический вид спиральной секции трубок теплообменника;
[0164] На фиг. 8А показан вид, подобный фиг. 7F, но с удаленной существенной долей трубок теплообменника в спиральной секции для ясности, для указания положений перегородок вдоль искривленной по существу круговой длины секции теплообменника;
[0165] На фиг. 8В показан подробный изометрический вид детали Е на фиг. 8А;
[0166] На фиг. 8С показан подробный изометрический вид детали F на фиг. 8А;
[0167] На фиг. 9А показан вид в вертикальном разрезе сзади теплообменника в направлении 9А на фиг. 9В;
[0168] На фиг. 9 В показан вид в разрезе теплообменника на двух плоскостях, представленных линией А-А на фиг. 9А;
[0169] На фиг. 10А показан элемент опоры по фиг. 6 с дополнительными башмаками лонжерона, прикрепленными к элементам лонжерона опоры и с компонентами спиральной секции, показанной на фиг. 8А, прикрепленными вокруг нее спиральным образом;
[0170] На фиг. 10В показан подробный изометрический вид детали А на фиг. 10А;
[0171] На фиг. 11А показан вид с торца опоры по фиг. 6 со всеми 21 прикрепленными спиральными секциями, но с опущенными для целей ясности элементами захвата и кольцом инжекции метанола;
[0172] На фиг. 11В показан подробный вид в вертикальном разрезе детали А на фиг. 11А;
[0173] На фиг. 12А показан вид в вертикальном разрезе спереди узла инжектора метанола в теплообменнике;
[0174] На фиг. 12В показано сечение в плоскости А-А на фиг. 12А;
[0175] На фиг. 12С показан подробный вид детали В на фиг. 12В;
[0176] На фиг. 12D показан подробный вид детали С на фиг. 12В;
[0177] На фиг. 12Е показан частично укороченный вид в разрезе на плоскости D-D на фиг. 12G, показывающий один из узлов трубки инжектора для узла инжектора;
[0178] На фиг. 12F показан подробный вид детали Е на фиг. 12Е;
[0179] На фиг. 12G показан вид в вертикальном разрезе вдоль направления 12G на фиг. 12Е для узла трубки инжектора;
[0180] На фиг. 12Н показан изометрический вид узла инжектора по фиг. 12А;
[0181] На фиг. 13А показан изометрический вид части внешнего узла захвата для удаления жидкости из теплообменника в системе контроля за образованием инея;
[0182] На фиг. 13В показан изометрический вид части компонентов, показанных на фиг. 13А;
[0183] На фиг. 13С показан вид с торца компонентов, показанных на фиг. 13А;
[0184] На фиг. 13D показано сечение по плоскости С-С на фиг. 13С;
[0185] На фиг. 13Е показан вид, аналогичный фиг. 13С, но с удаленной пластиной коллекторной трубки захвата из узла захвата;
[0186] На фиг. 13F показан подробный вид детали D на фиг. 13Е;
[0187] На фиг. 13G показан вид в вертикальном разрезе в круговом направлении (вокруг центральной оси барабана теплообменника) частей, показанных на фиг. 13А;
[0188] На фиг. 13Н показано сечение по плоскости А-А на фиг. 13G;
[0189] На фиг. 13I показан подробный вид детали В на фиг. 13Н;
[0190] На фиг. 14А показан вид в вертикальном разрезе в круговом направлении трубки захвата для гидроформированного узла захвата;
[0191] На фиг. 14В показан поперечный профиль гидроформированной трубки захвата по фиг. 14А на ее круговом гладком конце;
[0192] На фиг. 14С показано профильное сечение трубки захвата по фиг. 14А в поднятой точке профиля, показанного на фиг. 14А, на одном конце каждого из двух соседних карманов захвата жидкости;
[0193] На фиг. 14D показан профиль трубки на полпути между двумя такими концами с карманами;
[0194] На фиг. 14Е показан аксонометрический вид трубки по фиг. 14А;
[0195] На фиг. 14F показан перспективный вид в сечении трубки по фиг. 14А с покрытой двуокисью кремния сеткой, плотно обернутой вокруг нее;
[0196] На фиг. 15 схематически показан вид модифицированного варианта спиральных секций, включающих промежуточный коллектор;
[0197] На фиг. 16 схематически показан вид, показывающий теплообменник и проточный канал для текучей среды в промежуточном коллекторе;
[0198] На фиг. 17 схематически показан вид части спиральной секции, рассматриваемый в направлении 17 на фиг. 15;
[0199] На фиг. 18 схематически показана модифицированная система инжекции, в которой метанол (или другой антифриз) претерпевает рециркуляцию и инжекцию в поток воздуха более одного раза;
[0200] На фиг. 19А показана пластина прокладки, используемая с элементами захвата узлов захвата;
[0201] На фиг. 19В показана пластина прокладки по фиг. 19А, размещенная относительно элементов захвата;
[0202] На фиг. 19С показан частичный вид с торца теплообменника;
[0203] На фиг. 19D показан подробный вид детали Е по фиг. 19С;
[0204] На фиг. 20А показан вид спереди теплообменника с удаленными для ясности круговыми коллекторами кольца захвата и их S-образными соединительными шлангами;
[0205] На фиг. 20В показан подробный вид детали А по фиг. 20А;
[0206] На фиг. 21А схематически показан теплообменник, размещенный вокруг выпускного патрубка вместе с двумя пассивными модулями, причем выпускной патрубок идет в продольном направлении к воздушному компрессору двигателя; и
[0207] На фиг. 21В показан подробный вид детали В по фиг. 21А.
Осуществление изобретения
[0208] Как показано на фиг. 1А, 1В и 1С, воздушный летательный аппарат 10 с убирающимся шасси 12, 14, 16 имеет фюзеляж 18 с запасами 20, 22 топлива и окислителя и отсек 24 полезной нагрузки. Перемещаемое устройство 26 хвостового стабилизатора и все перемещаемые устройства 28 носового руля прикреплены к фюзеляжу 18. Основные крылья 34 с элевонами 36 прикреплены к обеим сторонам фюзеляжа 18 и каждое крыло 34 содержит модуль 38 двигателя, прикрепленный к концевой части 40 крыла. Как показано на фиг. 1С и 2, хвостовая часть каждого модуля 38 двигателя обеспечена четырьмя ракетными соплами 40, окруженными различными перепускными форсунками или устройствами для дожигания топлива во втором контуре (bypass burner) 42.
[0209] Как показано на фиг. 2, модуль 38 двигателя известного уровня техники содержит воздухозаборник 43, теплообменник 44 из четырех частей, турбокомпрессор 46 и циклические трубопроводы 48. В режиме потребления воздуха модулем 38 двигателя внутри атмосферы Земли, часть набегающего потока воздуха, проходящего через воздухозаборник 43, проходит через теплообменник 44 к турбокомпрессору 46, а часть обходит вдоль перепускного патрубка 50 к перепускным форсункам 42.
[0210] В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения теплообменник 44 известного уровня техники заменен на теплообменник или на устройство 52 предварительного охлаждения или на множество указанных теплообменников 52, способных работать параллельно.
[0211] На фиг. 3 схематически показан цикл для модифицированного модуля 38 двигателя, который был упрощен в целях ясности, показывая только одно ракетное сопло 40 вместо четырех.
[0212] Таким образом, как показано на фиг. 3, в режиме потребления воздуха воздух входит в заборник 43 и проходит или к теплообменнику 52 или через перепускной патрубок 50 к перепускным форсункам 42. Воздух, проходящий через теплообменник 52, затем подвержен сжатию в компрессоре 54 турбокомпрессора 46 перед прохождением через клапан 56 к ракетному соплу 40 и частично также к камере 58 предварительного сгорания перед прохождением через теплообменник 60 перед прохождением с несгоревшим водородом в продуктах выхлопа камеры предварительного сгорания для дальнейшего сгорания в ракете 40.
[0213] Насос 62 жидкого водорода, ведомый турбиной 64, перемещает водород через теплообменник 66 и турбину 64 через турбину 68 из устройства 70 циркуляции гелия к камере 58 предварительного сгорания для частичного сгорания в камере предварительного сгорания, хотя часть жидкого водорода может быть перепущена клапаном 72 вдоль трубопровода 74 для сгорания в перепускных форсунках 42.
[0214] Устройство 70 циркуляции гелия содержит компрессор 76, который перемещает газообразный гелий через теплообменник 52 в противоточном теплообмене с воздухом, проходящим в противоположном направлении (при рассмотрении радиальных компонентов путей воздуха и гелия), причем гелий затем проходит через теплообменник 60 перед прохождением через турбину 78 для гелия до охлаждения водородом в теплообменнике 66 и затем проходит назад в компрессор 76 для гелия. В этом режиме потребления воздуха воздушный летательный аппарат 10 в состоянии взлететь горизонтально из стационарного положения на земле 80 (фиг. 1А).
[0215] При полете воздушного летательного аппарата 10 на большой скорости, составляющей примерно 5 Мах, он может выполнить переключение из режима потребления воздуха в полно-ракетный режим. В полно-ракетном режиме воздухозаборник 43 закрыт; путь водорода через циклический трубопровод 48 аналогичен пути в режиме потребления воздуха, хотя никакой водород не отклонен клапаном 72 в перепускную форсунку 42. Турбокомпрессор 46 не активен. В схеме гелия газообразный гелий теперь течет из компрессора 76 для гелия через теплообменник 52 и теплообменник 60, но затем к турбине 82 до возврата к теплообменнику 66 и затем к компрессору 76 для гелия. Турбина 82 для гелия управляет насосом 84 для жидкого кислорода, который направляет кислород к ракетному соплу 40, а также частично через камеру 58 предварительного сгорания и затем в качестве продукта выхлопа камеры предварительного сгорания, вместе с несгоревшим водородом к ракетному соплу 40 для сгорания в нем. Клапан 56 закрыт в полноракетном режиме.
[0216] В полно-ракетном режиме воздушный летательный аппарат 10 может быть ускорен до больших чисел Маха и выведен на орбиту.
[0217] Как показано на фиг. 6, теплообменник 52 содержит опору в форме центральной птичьей клетки или по существу цилиндрического перфорированного барабана 84. Барабан 84 содержит два оконечных опорных кольца 86, размещенных с промежутком друга от друга, и три промежуточных опорных кольца 88, которые размещены с одинаковыми промежутками друг от друга между оконечными опорными кольцами 86. Последовательность из 21 элемента 90 лонжерона проходит вдоль между двумя оконечными опорными кольцами 86 и поддержана всеми пятью опорными кольцами 86, 88. Элементы 90 лонжерона представляют собой по существу плоские, ориентированные в радиальном направлении и тонкие пластины. Элементы 90 лонжерона прикреплены элементами 92 в виде катушки с нарезанной резьбой к двум оконечным опорным кольцам 86 и имеют последовательность из трех щелей 94 вблизи направленных в радиальном направлении ее внутренних краев 96. Щели 94 проходят на расстояние примерно от одной четверти до трех четвертей радиальной протяженности вдоль каждого элемента 90 лонжерона и обеспечивают возможность опорного взаимодействия между элементами 90 лонжерона и промежуточными опорными кольцами 88. Промежуточные опорные кольца 88 также содержат соответствующие щели, обеспечивающие возможность взаимодействия, показанного на фиг. 6.
[0218] Опорный барабан 84 также содержит внутреннюю трубку 98 элемента жесткости, который содержит перфорированный трубчатый элемент, имеющий продольные элементы, взаимодействующие вдоль всей длины каждого из элементов 90 лонжерона, проходящих по кругу элементов 102, проходящих по кругу вдоль всего кругового пути и взаимодействующих с каждым из опорных колец 86, 88, а также с X-образными связующими элементами 104, размещенными рядом с обычно квадратными промежутками 106, образованными между различными элементами 90 лонжерона и опорными кольцами 86, 88. Таким образом, трубка 98 элемента жесткости образует очень жесткую перфорированную решетку внутри барабана 84, предназначенную для противостояния поперечным силам. Барабан способен воспринимать высокую нагрузку в радиальном внутреннем направлении и четыре треугольника, образованных в области каждого Х-образного связующего элемента 104, обеспечивают возможность прохождения существенного потока воздуха в радиальном направлении через перфорированный барабан 84 без существенного перепада давления.
[0219] Как показано на фиг. 10А, 21 спиральных секций трубопровода, только одна из которых показана и которая лишь частично показана на этой фигуре, могут быть прикреплены вокруг перфорированного барабана с впускным коллектором 106 каждой модульной спиральной секции 108, прикрепленным к опорному барабану 84, причем спиральная секция 108 закручена по спирали во внешнем радиальном направлении с удалением от центральной оси барабана 84, когда она проходит по кругу по существу на 360° вокруг опорного барабана 84 к трубке 110 выпускного коллектора. В других вариантах реализации настоящего изобретения каждая спиральная секция 108 может быть модифицирована для прохождения вокруг на больший или меньший угол. Как можно видеть на фиг. 10А, модульная спиральная секция 108 содержит первую 112' и вторую 114' секции с резким изгибом, содержащих короткие проходящие в радиальном направлении секции трубки теплообменника, как будет описано ниже. В других вариантах реализации настоящего изобретения могут быть использованы больше двух таких секций с резким изгибом, например, три, четыре или пять в каждой спиральной секции 108.
[0220] На фиг. 10В показано, как трубка 106 впускного коллектора содержит последовательность из пяти монтажных фланцев 112 (только часть из которых показана на фиг. 10В), содержащих отверстия (не показаны), взаимодействующих с зажимным стержнем 114, предназначенным для фиксации трубки 106 впускного коллектора в определенном положении относительно каждого из опорных колец 86, 88. Как можно видеть на фиг. 10В, необязательный башмак 116' лонжерона покрывает выступающий в радиальном направлении внешний край каждого элемента 90 лонжерона для защиты спиральных секций 108, которые могут взаимодействовать с ним. Башмаки 116' лонжерона не использованы в других вариантах реализации настоящего изобретения. Фиг. 8А также показывает расположение перегородок 116, регулярно разнесенных вдоль спиральных секций 108.
[0221] На фиг. 8В показано, что выпускной коллектор 110 (и аналогично впускной коллектор 106) содержит внутри себя последовательность из 800 отверстий 118, выполненных с возможностью принятия 800 соответствующих трубок 120 теплообмена с гелием, только три из которых показаны на фиг. 8В. В других вариантах реализации настоящего изобретения может быть использовано меньше или, в действительности, больше таких трубок 120. Трубки 120 с гелием впаяны в отверстия 118. Для подготовки трубок 120 для гелия к пайке предпочтительно проведение сканирования трубок на наличие дефектов, измерение толщины стенок (внутреннего диаметра), проведение испытания давлением, после чего трубки при необходимости электрохимически фрезеруют, моют, высушивают и затем обрезают и придают им нужную форму. Предпочтительно проведение пайки под вакуумом.
[0222] Трубки 120 для гелия размещены в виде 200 рядов на расстоянии друг от друга вдоль осевого направления коллекторов 106, 110 и четырех рядов в радиальном направлении. Трубки 120 для гелия проходят весь путь от каждого впускного коллектора 106 к каждому выпускному коллектору 110. Поскольку имеет место 21 спиральная секция 108 и каждая трубка 120 имеет дину примерно 2-3 метра, теплообменник 52 содержит примерно 40 километров трубок 120. Диаметр трубок 120 составляет примерно 1 миллиметр или несколько больше и толщина стенок составляет примерно от 20 до 40 микрон.
[0223] На фиг. 8С показано, как трубки 120 проходят резкие изгибы 112', 114' с короткими радиальными частями 122 и J-образными пленками или выступами 124, расположенными с обоих сторон резких изгибов 112', 114' для направления потока от радиальных частей 122. Это также показано на фиг. 7В. Как может быть замечено на фиг. 7А в местоположениях 116 перегородки, элементы 125 перегородки секции маршрута припаяны к внутренней стороне каждого из четырех рядов трубок 120 для гелия 120 в любой заданной спиральной секции 108, и плоская прокладка 126 размещена на внешней стороне проходящих во внешнем радиальном направлении трубок 120 в четырех рядах. Элементы 125 выполнены посредством сплющивания трубки таким же образом, как трубок 120 для гелия. Элементы перегородки и пластины 126 прокладки проходят в осевом направлении вдоль полной длины всех 200 рядов трубок 120 в осевом направлении. Как показано на фиг. 11В, места 116 расположения перегородок в 21 спиральной секции 108 по существу выровнены друг относительно друга везде, где есть элемент 90 лонжерона, так, чтобы быть ортогональными к матричным трубкам 120, хотя имеет место небольшое угловое смещение от истинного радиального направления R (см. фиг. 11В) относительно центральной оси 128 теплообменника 52 (см. фиг. 11А). Следовательно, башмак 116' на элементе 90 лонжерона взаимодействует с нижним элементом 125 перегородки первой спиральной секции 108 и радиальная сила может быть передана через местоположение 116 перегородки к пластине 126 прокладки, которая взаимодействует с нижней частью другого, проходящего в радиальном внутреннем направлении элемента перегородки для следующей спиральной секции с внутренним вложением. После 11-ой спиральной секции 108 проходящий в радиальном направлении I-образный стержень 130 способен передавать по существу радиальную нагрузку к следующей спиральной секции 108. После еще семи наборов элементов 125 перегородок и прокладок 126 из еще семи спиральных секций 108 имеет место дополнительный по существу проходящий в радиальном направлении I-образный стержень 130, предназначенный для передачи радиальной нагрузки, и затем имеют место еще три секции 108, проходящие в радиальном направлении, пока спиральные секции 108, все двадцать одна из них, не будут полностью посчитаны. Эта конфигурация всего лишь иллюстративна И может быть другой в других вариантах реализации изобретения.
[0224] При работе теплообменника имеет место существенный втекающий поток воздуха в радиальном направлении, мимо всех трубок 120, что прилагает к ним существенную аэродинамическую нагрузку во внутреннем радиальном направлении. Этой нагрузке противостоят по существу расположенные на одной линии пластины 126 прокладки, элементы 125 перегородки, I-образные стержни 130 и элементы 90 лонжерона, которые ориентированы по существу в радиальном направлении. В соответствии с этим, несмотря на весьма существенные аэродинамические нагрузки, трубки 120 могут быть надежно поддержаны.
[0225] В некоторых случаях, в частности при высоких значениях числа Маха, температура воздуха на впуске в теплообменник 52 на самой удаленной в радиальном направлении стороне в частности может быть существенной, например, превышающей 800 или даже 1000°С. Это изменение температуры может вызвать существенное изменение температурных условий в отношении трубок 120, которые, в частности, могут увеличивать свою длину с увеличением температуры. Следовательно, хотя трубка 106 впускного коллектора прикреплена в определенном положении к перфорированному барабану 84 опоры, выходные коллекторы 110 могут выполнять перемещение при увеличении длины трубок 120. Таким образом, пластины 126 прокладки из каждой спиральной секции 108 способны скользить относительно соседних элементов 125 перегородки, что обеспечивает возможность скольжения по существу в виде перемещения по кругу спиральных секций 108 относительно друг друга. При удлинении трубок 120 вследствие увеличения температуры линия тяги расположения 116 перегородок через элементы 125 перегородки, пластины 126 прокладки и 1-образные стержни 130 может совершать поворот для большего совпадения с действительно радиальным направлением R от центральной оси 152 теплообменника 52. Линия элементов 125 перегородки поддержана по существу ортогональной к трубкам 120. Следовательно, тепловое расширение и сокращение трубок в круговой (по всей длине) секции трубок 120 может быть учтено. Естественно, что трубки 120 и другие компоненты могут выполнять расширение в радиальном направлении при их расширении и сокращении с температурой и допуск на это также предусмотрен.
[0226] Как может видеть на фиг. 7D, каждая трубка 106 впускного коллектора оснащена соединительными деталями 140 впускного коллектора с обоих ее концов, а трубки выпускного коллектора 110 оснащены соединительными деталями 142 выпускного коллектора на их соответствующих двух концах. Как показано на фиг. 4А и 5В, соединительные детали 140 впускного коллектора на одном конце впускных коллекторов 106 связаны по текучей среде посредством гибких шлангов 144 с впускным коллектором 146 для потока гелия, а соединительные детали выпускного коллектора 142 на том же самом их конце связаны по текучей среде посредством гибких шлангов 148 с кольцевым коллектором 150 выпускного отверстия гелия для гелия.
[0227] Соединительные детали 140 впускного коллектора на другом конце трубок 106 коллектора могут быть заблокированы или могут быть связаны по текучей среде через кольцевую коллекторную трубку с соединительной деталью 140 соседнего коллектора. То же самое имеет место для соединительных деталей коллектора 142 на другом конце выпускных трубок 110 коллектора.
[0228] Как может быть замечено, например, на фиг. 11А и 11В, по существу прямоугольные (но дугообразные) карманы (или коробчатые сечения) 160 созданы, простираясь в осевом направлении весь путь вдоль теплообменника 52 между трубками 120 из соседних спиральных секций 108 в областях I-образных стержней 130 и соответствующих резких изгибов 112', 114'. Эти по существу прямоугольные, но дугообразные карманы 160 содержат элементы 162 захвата системы контроля за образованием инея в теплообменнике 52, который будет теперь описан.
[0229] Как показано на фиг. 4А и 12А, трубка 170 подачи метанола подает метанол к кольцевой галерее 172, состоящей из кольца 174 инжекции метанола. Части 176 в галерее 172 представляют собой сечения через трубки 214, где они входят в галерею 172. Кольцо инжекции метанола содержит последовательность 180 узлов 182 трубок инжектора (фиг. 12Е) (это устройство может быть другим в других вариантах реализации изобретения), расположенных круговым образом в виде последовательности на расстоянии друг от друга вокруг теплообменника 52, причем каждый узел 182 трубки инжектора содержит трубку 184 инжектора, проходящую в осевом направлении между кольцевой коллекторной трубкой 173, образующей кольцевую галерею 172, и дополнительное опорное кольцо 175, к которому прикреплены сходящие на конус концы 190 торцевых заглушек 192. Каждая из трубок 184 инжектора содержит последовательность из 22 отверстий 194 инжекции (одна из которых показана на фиг. 12F), размещенных на расстоянии друг от друга вдоль трубки в последовательности вдоль трубки 184, причем диаметр каждого из отверстий 194 составляет 0,2 мм. Конец 196 каждой трубки, противостоящий сходящему на конус концу 190, прикреплен к соединительной детали 198 инжектора, содержащей некруговой фланец 200 с фаской 202 для вращательной ориентации трубки 184 посредством согласования фаски 202 с соответствующим образованием в опорном кольце 177, прикрепленном к кольцу 173. Круговое уплотнение 204 предусмотрено для уплотнения круговой канавки 206 в соединительной детали 198.
[0230] При работе насоса 210 для метанола (фиг. 3) для прокачки метанола вдоль трубопровода 212, который присоединен к трубке 170 подачи метанола, метанол под давлением проходит через галерею 172 и через каналы 214 подачи кольца 173 и внутренние каналы 216 соединительных деталей 198 для закачивания метанола внутрь трубок 184, и затем выведения его через инжекционные отверстия 194. В соответствии с этим метанол инжектируют в поток воздуха как раз для входа в объем, определенный спиральными секциями 108 трубок 120.
[0231] Метанол способен предотвратить образование льда в теплообменнике 52, который блокировал бы поток воздуха через теплообменник. Метанол понижает температуру замерзания водных капелек, конденсированных внутри теплообменника, и для выполнения этого существенная доля метанола и воды совместно удалена из потока воздуха элементами захвата, как будет теперь описано.
[0232] Каждый внешний карман из двух карманов 160, показанных на фиг. 11В, содержит девять взаимно разнесенных элементов захвата, размещенных внутри его, и каждый внутренний карман из карманов 160 содержит семь элементов 162 захвата, размещенных в нем. Теперь будут описаны элементы 162 захвата со ссылками на фиг. 13А-14D. Эти фигуры показывают один внешний узел 240 захвата, содержащий девять элементов захвата. Внутренние узла захвата выполнены аналогичными за исключением количества элементов захвата (поскольку они содержат только семь элементов). Как показано на фиг. 13А и 13Н, каждый узел 240 захвата содержит внешний ряд 242 из четырех элементов 162 захвата и внутренний ряд 244 из пяти элементов 162 захвата. И снова, в других вариантах реализации изобретения количество элементов захвата и количество резких изгибов и рядов (в радиальном направлении) карманов может быть другим. Каждый элемент 162 захвата представляет собой гидросформированную трубку 246 с переменным поперечным сечением вдоль ее длины, как показано на фиг. 14А-14D. В частности, трубка 246 выполнена круговой в поперечном сечении на соответствующих ее концах 248, 250 и содержит восемь карманных понижений 252, образованных на ней между пиками 254, причем поперечное сечение трубки 246 показано на фиг. 14С, а поперечное сечение в средней точке 256 между пиками 254 таково, как показано на фиг. 14D, где имеют место две вогнутые во внешнем направлении части 258. Как показано на фиг. 131, трубки 246 покрыты сеткой 258 фильтра из нержавеющей стали размером 50 микрон (в других вариантах реализации настоящего изобретения могут быть использованы другие сетки), которая покрыта смачивающим реактивом, например, окисью кремния. Каждая сетка 258 выполнена по существу цилиндрической (она может быть другой в других вариантах реализации изобретения), и образует пару полостей 260, 262 в каждом из понижений 252 кармана, так что всего имеют место шестнадцать полостей 260, 262 на трубку 246 захвата. Отверстия 264 для продувки проходят через стенку трубки 246 в каждой полости 260, 262 (их количество может быть другим в других вариантах реализации настоящего изобретения). Узел 240 захвата содержит пластину 270 управления, а один конец 248 каждой трубки 246 захвата прикреплен к не выполняющей поворот соединительной детали 272 таким образом, что все девять трубок 246 элемента захвата связаны с внутренностью узла 274 коллекторной трубки всасывания элемента захвата, содержащего порт 276 всасывания, приводящий через систему трубок 278 (фиг. 3) к источнику 280 всасывания. Элементы 162 захвата способны работать инвертированными, а также при использовании в любом претерпевающем ускорение в осевом или другом направлении летательном аппарате.
[0233] Как показано на фиг. 13А и 13D, удаленные концы 282 элементов 246 захвата надежно закрыты концевыми заглушками 284.
[0234] Следует иметь ввиду, что пластины 270 управления захватом содержат проходящие через них круговых отверстия. Трубки 110 выпускного коллектора 110 теплообменника 52 проходят через эти отверстия 290. Также видно, что пластина 270 захвата содержит девять дополнительных отверстий 292. Причина этого состоит в том, что соседний узел 240 захвата, отстоящий на один промежуток в круговом направлении вокруг теплообменника 52, размещен с коллектором 272 и концевыми заглушками 284 на противоположных концах. Следовательно, отверстия 292 служат для зацепления вокруг круговых концов 250 элементов 162 захвата из соседнего узла 240 захвата таким образом, чтобы все трубки 246 захвата были поддержаны на обоих концах. При приложении пониженного давления к порту всасывания 276 происходит всасывание в отверстиях 266 продувки. При наличии метанола и воды в жидкой форме в области элемента 162 захвата, при касании жидкостью сетки 258, покрытой окисью кремния, она смачивает сетку 258 и происходит всасывание через сетку (полости 262, работающие при низком давлении вследствие малых пор сетки) в полости 262, 260/карманы 252, затем через отверстия 266 продувки и вдоль внутренней части трубок 246 захвата к соответствующему коллектору 274 и порту 276 всасывания. Отверстия 266 продувки управляют воздушным потоком, прососанным с жидкостью, до низкого уровня. Таким образом, существенная доля водяного пара в набегающем потоке воздуха может быть удалена из потока, так что теплообменник 52 не блокирован льдом. Хотя сетка 258 показана для ясности с круговым сечением на фиг. 13I, сетка фактически вытянута, как показано на фиг. 14F, для более плоской конфигурации над полостями 262/260/карманами 252. Как показано на фиг. 14Е, выступы (или скошенные кромки) 254 выполнены по существу плоскими. Скошенные кромки 254 зацепляют сетку 258 для отделения карманов друг от друга. Таким образом, если один карман теряет свою целостность, например при попадании обломков в теплообменник, другие карманы 252 останутся работающими.
[0235] Как показано на фиг. 4В, внешние узлы 274 коллектора всасывания при захвате соединены гибкими S-образными вакуумными трубками 300 (S-образная форма обеспечивает возможность учета рассогласований при производстве и теплового расширения, но не обязательно должна быть использована в других вариантах реализации настоящего изобретения) с кольцевым коллектором 302 элемента захвата при контроле нарастания инея, а пластины 304 коллектора внутреннего элемента захвата (соответствующие пластинам 274 коллектора, но только для семи элементов захвата) присоединены аналогичными S-образными гибкими шлангами 306 к кольцевому коллектору 308 элемента захвата при контроле нарастания инея. Кольцо 308 приводит к вакуумному выпускному трубопроводу 309, а кольцо 306 приводит к вакуумному выпускному трубопроводу 307, оба из которых ведут через систему трубок 278 к источнику 280 вакуума.
[0236] Поскольку имеют место аналогичные пластины 272, 304 вакуумной коллекторной трубки на противоположном осевом конце теплообменника, аналогичное устройство S-образных гибких шлангов 300, 306 и кольцевые коллекторные трубки элемента захвата при контроле нарастания инея также обеспечены на этом конце, как показано на фиг. 5В, причем одинаковые позиционные обозначения относятся к одинаковым элементам.
[0237] Из фиг. 13Н очевидно, что расстояние между элементами 162 захвата вдоль длины каждого из рядов 242, 244 составляет примерно одну треть от диаметра элементов 162 захвата. Также следует отметить, что расстояние между элементами 162 захвата в ряду 242 и элементами захвата в ряду 244 примерно одинаково или немного меньше. При приближении жидких капелек 400 к внешнему ряду 242 они могут выполнять перемещение и оборот примерно так, как показано стрелками 402. Капли текут через матрицу трубок 120 и во время их роста на трубках фокусируются в поперечном направлении воздушным потоком, ускоряющимся в промежутках между элементами 162 из внешнего ряда 242. Следовательно, капельки 400 имеют тенденцию быть отклоненными элементами 162 захвата в первом ряду 242, для перемещения почти прямо к элементам 162 захвата в следующем ряду 244. На практике это означает, что элементы 162 захвата в ряду 242 могут действовать как тела необтекаемой формы и примерно 5% воды, извлеченной узлом 240 захвата, может быть извлечено в переднем (в смысле направления потока воздуха) ряду 242 и 95% в последующем ряду 244. В других вариантах реализации настоящего изобретения элементы 162 захвата из переднего ряда 242 могут быть заменены твердыми телами без сетки и функции всасывания.
[0238] При работе теплообменника 52 температура во внутренних элементах захвата и/или во внешних элементах захвата может быть контролируема датчиком 350 температуры, который может посылать данные в контроллер 352 (фиг. 3), который может управлять клапаном, например, клапаном 354 с частью в виде отклонителя 356 для изменения потока гелия через теплообменник 52. Таким или схожим образом можно управлять температурой в элементах 162 захвата. Вода и метанол, удаленные из потока воздуха, могут быть добавлены назад в поток воздуха, приближающийся к ракетному соплу 40, что в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения может добавить 2% к величине тяги. Потеря веса метанола из летательного аппарата может быть желательной также для обеспечения возможности достижения более высокой скорости летательного аппарата в ответ на тягу двигателя позже во время полета. Описанная здесь система контроля за образованием инея может обычно удалять 99% содержания воды из воздуха. Только что описанное управление, обеспечиваемое контроллером 352, может быть таково, что на фазовой диаграмме твердое тело- жидкость для воды и метанола окружающая среда в окрестности самых холодных элементов 162 захвата попадает в диапазон примерно 65 молярных процентов или примерно 82 весовых процентов метанола при приближении температуры примерно к - 100°С. Даже при том, что в случае необходимости теплообменник способен охладить воздух до его точки сжижения вблизи отверстия выпуска воздуха из теплообменника, система контроля за образованием инея установлена так, что удаление значительного большинства воды с метанолом назад в теплообменник происходит при более высокой температуре. При очень низких температурах ниже примерно минус 50°С и далее весь путь вниз до температуры примерно минус 140°С любое остающееся жидкое содержимое метанол-вода, при его затвердевании, испытывает превращение непосредственно в массовый лед, а не в перистый иней, который может быть образован при более высоких температурах посредством прямой сублимации из пара, что в меньшей степени вызывает проблемы с блокированием.
[0239] Как показано на фиг. 15, спиральные секции 108 могут быть модифицированы для включения промежуточного коллектора 440. Промежуточный коллектор 440 может содержать два набора отверстий, к одному набору которых все трубки 120, приходящие от впускного коллектора 106, могут быть прикреплены посредством пайки, и к другому набору которых все трубки 120, приходящие к выпускному коллектору 110, могут быть прикреплены аналогичным образом. Промежуточный коллектор 440 может содержать внешнюю трубку 442 таким образом, что с ней связаны трубки 120. Впускной коллектор 440 может содержать внутреннюю трубку 444, содержащую последовательность отверстий 446 инжектора, расположенных в некоторой последовательности на расстоянии друг от друга вдоль нее и предназначенных для введения гелия в промежуточный коллектор 440. Следовательно, трубки 120 вниз по потоку от промежуточного коллектора 440 могут иметь больший массовый расход гелия, чем трубки 120 вверх по потоку. Это может быть чрезвычайно полезно при проектировании цикла с возможностью существенного изменения характеристик теплообмена, например, для предотвращения превышающих допустимые значения температур металла при полете с высокими значениями числа Маха, и в том, что только один теплообменник 52 по существу обеспечивает систему, которая может действовать как два различных теплообменника с различными потоками охладителя, гелия или другого охладителя, текущего в них. Это может быть схематично замечено на фиг. 16, где воздух, как видно, течет вдоль одного пути 450, и впускной коллектор 106 может концептуально быть предположен в впускной точке теплообменника 52, промежуточный коллектор 440 в промежуточной точке и выходной коллектор 110 в выпускной точке. Регулирующий клапан 452 схематично показан для управления потоком охладителя в промежуточный коллектор 440.
[0240] Как показано на фиг. 19А - 19В, пластина 500 прокладки расположена в каждом кармане 160, расположенном в радиальном направлении вне элементов 162 захвата из рядов 242, 244. На фиг. 19А показана пластина 500 прокладки для внешних карманов 160, причем внутренние карманы с семью элементами 162 захвата имеют аналогичные пластины 500 прокладки (хотя количество продольных щелей 512, 514, 516 может быть изменено, например, уменьшено). Каждая пластина прокладки содержит первую боковую стенку 502, верхнюю стенку 504 и вторую боковую стенку 506. Каждая боковая стенка 502, 506 содержит наклоненную вниз часть 508, соединенную с верхней стенкой 504, причем наклоненная вниз часть 508 присоединена к нижней по существу проходящей в радиальном направлении части 510 боковой стенки 502. Верхняя стенка 504 определяет по существу весь путь вдоль трех проходящих в продольном направлении щелей 512, 514, 516, причем щели 512, 514, 516 прерваны последовательностью малых поперечных соединителей 518. Три щели 512, 514, 516 ориентированы вдоль соответствующих радиальных путей с тремя ближайшими к центру элементами 126 захвата из второго ряда 244 элементов 126 захвата. Следовательно, как показано пятью линиями 520 потока воздуха на фиг. 19D, щели 512, 514, 516 в пластинах 500 прокладки имеют тенденцию помогать в направлении потока на элементы 126 захвата во втором ряду 244. Устройство может быть модифицировано посредством удаления первого ряда 242 элементов 126 захвата и, потенциально, посредством размещения верхней стенки 504 каждой пластины 500 прокладки ближе к оставшемуся "второму" ряду 244 со щелями 512, 514, 516, все же по существу ориентированными с его элементами захвата. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения пластины прокладки могут содержать одну щель (или разрез) на элемент 126 захвата в этом ряду. Не обязательно иметь три щели. Их может быть, например, пять.
[0241] Пластины 500 прокладки не обязательны. Они локально увеличивают скорость потока воздуха, так что аэродинамические силы доминируют над силой тяжести. Сила тяжести может иметь тенденцию заставлять капли выполнять перемещение по диагонали между элементами захвата, не ударяясь о них и без возможности быть пойманными. Таким образом, пластины 500 прокладки помогают в образовании аэродинамической нагрузки на капли воды/антифриза, которые имеют тенденцию направлять их на элементы 126, 244 захвата. Другие конструкции, отличные от пластин 500 прокладки, могут быть использованы в других вариантах реализации настоящего изобретения для подобной цели.
[0242] Как показано на фиг. 20А и фиг. 9В, теплообменник обеспечен передней переборкой 530 и соответствующей задней переборкой 532, причем эти переборки по существу представляют собой зеркальные отображения друг друга. Переборки 530, 532 закреплены посредством устройств, обеспечивающих возможность перемещения вследствие теплового расширения. Как показано на фиг. 20А, передняя переборка 530 содержит внутреннее кольцо 534, размещенное вокруг и прикрепленное к барабану 84 опоры. Внутреннее кольцо 534 соединено посредством последовательности по существу проходящих в радиальном направлении спиц 536 с внешним кольцом 538 переборки 530. Внешние концы 540 спиц 536 присоединены к кольцу 174 инжекции метанола. Как показано на фиг. 20В, стопорная пружина 542 внешнего коллектора прикреплена пружинным образом к кольцу 538 переборки 530 и к стопорной шайбе 544 трубки 110 коллектора, прикрепленной к каждой пластине 270 управления узлом элемента 270 захвата. Пружина 542 прилагает небольшую радиальную прижимную нагрузку к матрице трубок 120, обеспечивая при этом возможность тепловых расширений.
[0243] В этом варианте реализации настоящего изобретения спицы 536 выполнены слегка спиральными по форме для обеспечения зазора, но в других вариантах реализации они могут быть полностью радиальными или иметь другие конфигурации.
[0244] На фиг. 18 показана модификация теплообменника, обеспечивающего рециркуляцию метанола, или другого антифриза, используемого для предотвращения блокировки теплообменника вследствие образования инея или льда. Поток воздуха течет через теплообменник кольцеобразно вовнутрь, как и прежде, что показано схематично в направлении стрелок А, В потока воздуха, причем поток воздуха охлаждают трубками 120 гелия (не показаны на фиг. 18 для ясности) и делают это способом, не показанным на фиг. 18 (в целях ясности). Метанол (или другой антифриз) подают из источника/насоса 550 вдоль трубопровода 552 к первой коллекторной трубке 554 инжектора, расположенной в относительно холодном месте вниз по течению в потоке воздуха в теплообменнике 52. Метанол затем собирают, или значительная его часть собрана с водой в потоке воздуха в первом расположенном вниз по течению устройстве 556 захвата или удаления. Этот захваченный метанол, разбавленный с водой, затем рециркулируют посредством насоса 558 вдоль трубопровода 560 к расположенной выше по течению коллекторной трубке 562 инжекции метанола/воды, и затем происходит захват (по меньшей мере, частично) этой смеси вместе с большим количеством воды из потока воздуха в следующем устройстве 564 захвата или удаления. Этот метанол (вместе с водой) затем закачивают следующим насосом 566 вдоль следующего трубопровода 568 с дополнительно разбавленным метанолом в расположенный выше по течению коллекторной трубки 570 инжектора метанола/воды 570, где его инжектируют в поток воздуха. Этот дополнительно разбавленный метанол (разбавленный водой) затем собирают или собирают по существу весь в расположенном выше по течению устройстве 572 захвата или удаления, откуда его направляют к выходу 574, который может быть направлен в секцию сгорания или выработки тяги двигателя, для инжекции из двигателя для получения дополнительной тяги. Эта рециркуляция метанола, при котором происходит его повторная инжекция каждый раз в определенном месте вверх по потоку (и таким образом она может концептуально быть рассмотрена как противопоток по отношению к воздушному потоку даже при том, что, как показано схематичными стрелками 577, метанол течет вместе с воздухом при нахождении его в потоке воздуха), обеспечивает возможность оптимизации до минимума потребления метанола или другого антифриза.
[0245] Предусмотрено, что в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения метанол и вода могут быть отведены от выпуска 574 к сепаратору метанола, например, к системе дистилляции для повторной концентрации метанола с целью повторного использования, для уменьшения полного потребления метанола и веса перевозимого метанола.
[0246] Вместо устройства, показанного на фиг. 18, существует возможность иметь две или большее количество секций захвата (похожих на устройство 572 захвата), расположенных последовательно (одна за другой вдоль проточного канала для воздуха) после каждой коллекторной трубки инжекции (как 562) и перед следующей коллекторной трубкой инжекции.
[0247] Как показано на фиг. 21А, теплообменник 52 (или устройство предварительного охлаждения) может быть собран в испытательной установке 580 вместе с передним пассивным имитатором 582 теплообменника и задним пассивным имитатором 584 теплообменника. Имитаторы 582, 584 обладают характеристиками потока воздуха, аналогичными характеристикам теплообменника 52. Имитаторы 582, 584 потока воздуха и теплообменник 52 размещены кольцеобразно вокруг выпускного патрубка 586 с центральной линией или осью 588. На практике для готового к полету устройства из трех (или из другого количества) теплообменников 52, размещенных последовательно друг за другом в аналогичной конфигурации, передние и задние пассивные имитаторы 582, 584 потока воздуха могут быть заменены дополнительными теплообменниками 52, которые могут быть по существу идентичными среднему теплообменнику 52. Эти три теплообменника 52 способны, таким образом, принимать потоки 590 набегающего воздуха 590 из патрубка 592, ведущего от впускного отверстия 43, а выходной патрубок 586 способен приводить к воздушному компрессору 54 турбокомпрессора 46, показанного на фиг. 3.
[0248] Каждый из имитаторов 582, 584 потока воздуха и теплообменника 52 ограничен в радиальном внутреннем направлении последовательностью 594, 596, 598 накладывающихся направляющих лопаток 600, причем каждая направляющая лопатка представляет собой круговой или подобный кольцу элемент, коаксиальный с центральной осью 588. Каждая направляющая лопатка имеет продольную протяженность вдоль оси 588, а в поперечном сечении, показанном на фиг. 21В, имеет искривленную обычно закругленную по радиусу ведущую часть 602, вытянутую примерно на 20% от продольной протяженности направляющей лопатки, и хвостовую часть 604, вытянутую на остающиеся примерно 80% от продольной протяженности направляющей лопатки 600, которая выполнена по существу конической, хотя фиг. 21В показывает, что часть передней кромки 604, которая должна представлять собой несколько сглаженных частей, фактически в предпочтительном варианте реализации представляет собой гладкую кривую. Вследствие конфигурации лопаток, в которой они искривлены и выполнены с внутренним вложением, и в которой область 606 выпуска между соседними направляющими лопатками 600 значительно меньше области впуска 608 между или около их передних кромок 610 (принимая во внимание как меньшую длину щели в поперечном направлении для протекания, как показано в поперечном разрезе, так и большую длину окружности в области 606 выпуска), происходит поворот и ускорение потока посредством направляющей лопатки 600. Каждая направляющая лопатка 600 имеет по существу одинаковую ширину вдоль всей длины от ее передней кромки 610 до ее задней кромки 612, но это может быть изменено в других вариантах реализации настоящего изобретения. Передняя кромка 610 (или часть 614 передней кромки) каждой направляющей лопатки 600 повернута примерно на 10 градусов к радиальному направлению, то есть на угол А на фиг. 21В. Задняя кромка 612 (или часть 616 задней кромки) направляющей лопатки 600 повернута примерно на 10 градусов к продольной оси 588 трубки 586, то есть на угол В на фиг. 21В.
[0249] Направляющие лопатки 600 предназначены для локального поворота и ускорения потока воздуха вплоть до скорости воздуха, обычно имеющей место в выпускном патрубке 586, так что распределение скоростей выше по течению, то есть, выше по течению от переднего и заднего пассивных имитаторов 582, 584 потока воздуха и от теплообменника 52, вынуждают стать более однородным, так что одинаковый или по существу одинаковый массовый поток воздуха будет проходить через каждый, даже при том, что они размещены на различных расстояниях вдоль патрубка 586.
[0250] Хотя первоначально было предположено, что центральное тело, вставленное в выпускной патрубок 586, устранит проблему распределения статического давления вдоль выпускного патрубка, уменьшая его в направлении к двигателю, такое центральное тело неожиданно, при проверке настоящими заявителями, не проявило желательный эффект и вынудило еще большую часть потока проходить через хвостовую часть установки, причем причина этого (определенная настоящими заявителями) состоит в том, что воздух, входящий в выходную трубку, входит в радиальном направлении, но впоследствии следует по криволинейному пути для поворота на 90 градусов при выходе из выпускного патрубка, и всякий раз, когда текучая среда следует по этому криволинейному пути, имеет место градиент давления, перпендикулярный потоку, причем было обнаружено, что поток, входящий в выходной патрубок по направлению к хвостовой части установки (ближе к выходу 589 из патрубка), следует по пути с меньшим радиусом кривизны, чем воздух, входящий в патрубок от места, расположенного ближе к его переднему фронту 591, с меньшим радиусом кривизны и высокой скоростью к хвостовой части, вызывая появление больших градиентов давления и приводя к области повышенного давления под передним пассивным имитатором 582 потока воздуха по сравнению с задним пассивным имитатором 584 потока воздуха, таким образом вызывая более высокие скорости при прохождении через задний пассивный имитатор 584 потока воздуха, чем при прохождении через передний пассивный имитатор 582 потока воздуха.
[0251] Направляющие лопатки 600 ослабляют эту проблему локально в месте впуска в подобные барабану имитаторы 582, 584 потока воздуха и теплообменник 52. Хотя между соседними лопатками 600 все же будет присутствовать градиент давления в осевом направлении, теперь он ограничен областью между границами пар лопаток. Следовательно, посредством разбиения потока на достаточное количество сегментов поворота, повышенный градиент давления на выпускном патрубке может быть устранен или по меньшей мере уменьшен. Имеют место не только более однородные массовые потоки, проходящие через три барабана 582, 584, 52, но линии тока через теплообменник 52 становятся почти радиальными (уменьшение при отсутствии лопаток тенденции прохождения большего потока через теплообменник 52 в одном осевом положении, чем в другом), помогая, тем самым, гарантировать более однородное поле потока через теплообменник 52 для целей теплообмена.
[0252] Было обнаружено, что при установленных направляющих лопатках 600 отношение давлений, то есть, отношение давления в патрубке 586 в области переднего имитатора 582 потока воздуха к давлению в области заднего имитатора 584 было улучшено от значения 72% без направляющих лопаток 600 до 89% при наличии направляющих лопаток, установленных так, как показано на фиг. 21А.
[0253] Таким образом, показано, что лопатки 600 предлагают техническое решение для перераспределения массового расхода через узел теплообменника, проходящий в продольном направлении и приводящий к патрубку с осевым потоком и/или устройствам с множеством модулей теплообменника, типа модуля 52, вместе с аналогичными модулями, заменяющими пассивные имитаторы 582, 584 потока воздуха. Лопатки 600 обеспечивают более однородные распределения радиальной скорости через теплообменник 52.
[0254] Выпускные углы лопасти (В) могут быть различными вдоль осевой длины установки для дополнительного увеличения однородности потока, причем предусмотрено, что также может быть добавлено центральное тело 603, так что комбинированное воздействие поворота лопатки и геометрии центрального тела может быть использовано для обеспечения в высокой степени однородного распределения потока с минимальной потерей полного давления. При выполнении выпускного патрубка 586 по существу цилиндрическим центральное тело 603 может быть, как схематично показано, параболическим в поперечном сечении для обеспечения по существу линейной области увеличения на единицу длины (вследствие трехмерной кольцевой формы), что обеспечивает возможность сохранения по существу постоянного массового потока.
[0255] Как показано на фиг. 21А, каждый теплообменник 52 может также быть обеспечен, так же как и внутренними направляющими лопатками 600, последовательностью внешних направляющих лопаток 601, полностью проходящих вдоль его осевой длины, или по существу так. В целях ясности только три таких внешних лопатки 601 показаны на фиг. 21А. В предпочтительном варианте реализации каждая внешняя лопатка 601 выполнена с щелью, как показано на фиг. 21А, поскольку происходит увеличение давления и уменьшение скорости потока при прохождении потока через лопатки 601 и наличие щелей предотвращает срыв потока. Щели не нужны на внутренних лопатках 606, поскольку при прохождении их происходит уменьшение давления и ускорение потока. При потоке, реверсированном во внешнем радиальном направлении в других вариантах реализации настоящего изобретения, внутренние лопатки могут быть выполнены со щелями. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения или внутренние 600 или внешние 601 лопатки могут быть опущены.
[0256] Как показано, например, на фиг. 13В, пластины 270 устройства захвата содержат шпильки 700, проходящие в карманы захвата в матрице трубок 120, что обеспечивает им возможность следовать за карманами захвата при перемещении матрицы вследствие изменения термических значений и значений давления. Специалистам в данной области техники очевидно, что имеет место перекрытие пластин 270 захвата для предотвращения осевой утечки воздуха между ними; причем следует отметить, что пластины захвата обычно не опираются друг на друга в радиальном направлении или на передние и задние переборки.
[0257] Хотя вариант реализации изобретения, показанный на большинстве чертежей, содержит только одну точку инжекции антифриза/метанола в радиальном направлении вне матрицы трубок 120, предусмотрено, что готовый к полету двигатель может содержать по меньшей мере две инжекционных точки в различных радиальных местоположениях или в большем количестве радиальных местоположений, как показано на фиг. 18.
[0258] Переходные трубки 702, показанные на фиг. 9В, могут быть пригодными для использования в испытательных установках и могут быть удалены в работающих двигателях.
[0259] Длина карманов в виде вогнутой тарелки в элементах 126 захвата составляет примерно 50 мм. Сетка 258 плотно обернута вокруг трубок захвата и прикреплена к ним. Это образует карманы длиной 50 мм, где каждая трубка 126 захвата выполнена вогнутой, разделена пиками 254, где сетка 258 контактирует с трубкой, чтобы разделить полости всасывания на отдельные карманы, так что в случае повреждения оставшиеся карманы остаются работающими.
[0260] Компоненты управления температурой, включая датчик 350 температуры и контроллер 352, могут быть приспособлены или заменены в других вариантах реализации настоящего изобретения другим устройством, известным специалистам в данной области техники, для поддержания постоянного воздушного профиля температуры для управления нарастанием инея посредством обеспечения правильного количества конденсата метанол/вода в определенных местах захвата. В по меньшей мере некоторых вариантах реализации настоящего изобретения управление приспособлено для управления последним (самым холодным) рядом элементов захвата, предназначенным для нахождения при температуре воздуха, примерно составляющей от - 80 до - 100 градусов по Цельсию, где концентрация метанола должна быть примерно равна 80%-ой молярной доле или 88%-ой массовой доле для удержания точки замерзания при самой низкой из возможных температур.
[0261] Система контроля за образованием инея требует очень небольшого количества потребляемых материалов по сравнению с упомянутыми выше предшествующими публикациями, то есть масса необходимого метанола очень мала, что приводит к увеличенной полезной нагрузке летательного аппарата и улучшенной рентабельности.
[0262] В предпочтительном варианте реализации соединение коллекторной трубки 174 метанола со спицами 536 происходит через прорезанные отверстия (не показаны) для обеспечения возможности радиального теплового расширения.
[0263] Показанное на чертежах кольцо 174 инжектора метанола содержит активные трубки 710 инжекции с дополнительными гладкими трубками 712 большего диаметра для инжекции не текучей среды. Это устройство обеспечивает увеличенную скорость воздуха вблизи трубок 710 инжекции, но гладкие трубки 712 могут быть удалены в других вариантах реализации настоящего изобретения.
[0264] Небольшое нажатие выпускных коллекторов 110 на матрицу трубок 120 посредством пружин 542 прилагает начальную предварительную нагрузку, которая увеличена перепадом давления со стороны воздуха при работе двигателя, и это также предотвращает модуль спиралей 108 от распахивания при направлении оси теплообменника 52 в горизонтальном направлении. В других вариантах реализации настоящего изобретения устройства 350, 352, 354 управления перепуском гелия могут быть заменены и электрическая схема может быть изменена для включения контура рециркуляции и для реализации альтернативных конструкций для управления температурой устройства захвата.
[0265] Теплообменник может быть использован в других приложениях, отличных от показанного двигателя, и не ограничен использованием в описанном определенном аэрокосмическом применении и может быть использован в различных других аэрокосмических и промышленных применениях.
[0266] Различные показанные на чертежах особенности могут быть изменены по сравнению с показанными и описанными без выхода за пределы объема изобретения. Например, в других вариантах реализации настоящего изобретения торцевые стенки, образованные пластинами 127 элемента захвата, и переборки 530, 532 могут быть выполнены из тонкого листового материала.
[0267] В вариантах реализации с потоком воздуха, идущим по существу в радиальном наружном направлении (внутри радиального направления внутрь), опорная конструкция трубки, содержащая барабан 84 в виде птичьей клетки и I-образные стержни 130, может быть реверсирована таким образом, что барабан 84 размещен в радиальном направлении вне спиральных трубок 120 для противодействия нагрузке, приложенной к ней наружу.
[0268] В ситуациях, где охлаждаемая текучая среда (например, воздух) не содержит водяной пар, или если текучая среда не будет охлаждена ниже 0 градусов, существует относительно малая вероятность, что нарастание инея будет препятствовать работе теплообменника. В таких ситуациях может быть выгодно устранить устройство контроля за образованием инея (например, систему инжекции метанола, узлы 240 элементов захвата, прокладки 500, резкие изгибы 112', 114', 1-образные стержни 130 в области спиральных секций 108, дугообразные карманы 160, радиальные части 122 и пленки/выступы 124) из теплообменника для, например, уменьшения веса при использовании теплообменника с двигателем (например, двигателем, раскрытым в патенте GB 1318111.0).
[0269] Различные модификации могут быть сделаны относительно описанных вариантов реализации настоящего изобретения без выхода за пределы объема изобретения, определенного сопровождающими пунктами формулы изобретения.