УСТРОЙСТВО ПОДОГРЕВА ТОПЛИВА МАЛОРАЗМЕРНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
SMALL GAS TURBINE ENGINE FUEL HEATING DEVICE

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к малоразмерным газотурбинным и турбореактивным двигателям.
Известны устройства (системы) подогрева топлива перед запуском газотурбинного или турбореактивного двигателя, содержащие топливовоздушные теплообменники (например, авторское свидетельство СССР №793050, кл. МПК F02C 7/224, опубл. 10.03.2006) или топливомасляные теплообменники (например, патент РФ №2458233, кл. МПК F02C 7/06, опубл. 10.08.2012), которые обеспечивают подогрев топлива, поступающего в камеру сгорания двигателя.
Недостатком таких устройств являются увеличенные габариты и масса, что неприменимо для малоразмерных двигателей.
Известно выбранное за прототип пиротехническое устройство для подогрева жидкости в трубопроводе (рекуперативный теплообменник) для быстрого подогрева жидкого топлива, подаваемого в камеру сгорания двигателя в условиях низких температур. Устройство состоит из корпуса, нагревателя из малогазового пиротехнического состава и воспламенителя, причем корпус выполнен в виде патрубка, вставленного в кожух с зазором, образующим щелевую герметичную полость. Материал патрубка обладает высокой теплопроводностью, на патрубок нанесена пленка из малогазового пиротехнического состава, покрытого фольгой из легкоплавкого металла, например алюминия. Воспламенение пиротехнического состава осуществляется от электрического воспламенителя, который соединен с щелевой полостью каналом (патент РФ №2433358, кл. МПК F24J 1/00, опубл. 10.11.2011).
Недостатком такого устройства является то, что передача тепла от горения пиротехнического состава (теплоносителя) к топливу происходит через разделительную стенку патрубка, при этом часть тепла теряется и поступает не к топливу, а в атмосферу. Кроме того, выполнение патрубка из материала с высокой теплопроводностью, не обеспечивает возможность аккумулирования тепловой энергии.
Предлагается устройство подогрева топлива малоразмерного газотурбинного двигателя, являющееся теплообменным аппаратом для запуска двигателя в условиях низких температур наружного воздуха, содержащее корпус, канал подачи топлива под давлением от топливного насоса в камеру сгорания двигателя, пиротехнический нагревательный элемент и пиротехнический электровоспламенитель, причем нагревательный элемент выполнен в виде полого цилиндра, полость которого заполнена пиротехническим составом и соединена с выходом пиротехнического электровоспламенителя. Нагревательный элемент имеет на наружной поверхности винтовой гребень, размещен в полости корпуса с образованием между ними винтового канала, при этом вход винтового канала соединен с выходным каналом топливного насоса, а выход винтового канала соединен с входным каналом подачи топлива в камеру сгорания двигателя. Материал нагревательного элемента обладает высокой теплоемкостью. Воспламенение пиротехнического состава осуществляется от электрического воспламенителя, который соединен с полостью нагревательного элемента.
Выполнение нагревательного элемента в виде полого цилиндра с винтовым гребнем на наружной поверхности позволяет увеличить площадь теплоотдачи и направить поток подогреваемого топлива по спиралевидной траектории, что позволяет получить более полную теплопередачу от источника тепла (горение пиротехнического состава) к нагреваемому веществу (топливу).
Выполнение нагревательного элемента из материала, обладающего высокой теплоемкостью, позволяет аккумулировать тепло, полученное при горении пиротехнического состава и продолжить процесс теплопередачи уже после сгорания пиротехнического состава до момента наступления теплового равновесия между нагревательным элементом и топливом.
В варианте выполнения устройства подогрева топлива полый нагревательный элемент с винтовым гребнем на наружной поверхности размещен в топливной полости, в выходном канале которой размещен клапан, открывающий подачу в двигатель предварительно подогретого топлива.
Такое выполнение устройства позволяет расширить область применения устройства подогрева топлива путем установки нагревательного элемента с пиротехническим электровоспламенителем в любую топливную емкость или трубопровод (например, в специально подготовленную полость в корпусе топливного насоса, что позволит уменьшить количество агрегатов двигателя и снизить его массу).
На фиг. 1 изображен разрез устройства подогрева топлива малоразмерного газотурбинного двигателя. На фиг. 2 - вариант применения устройства в топливной полости.
Газотурбинный двигатель содержит газогенератор, камеру сгорания, топливную систему с топливным насосом (не показаны). Устройство подогрева топлива газотурбинного двигателя содержит корпус 1, канал 2 подачи топлива под давлением от топливного насоса в камеру сгорания двигателя (не показаны), нагревательный элемент 3, пиротехнический электровоспламенитель 4. Нагревательный элемент 3 выполнен в виде полого цилиндра, полость 5 которого заполнена пиротехническим составом 6 и соединена с пиротехническим электровоспламенителем 4. Нагревательный элемент 3 имеет на наружной поверхности винтовой гребень 7, размещен в полости корпуса 1 с образованием между ними винтового канала 8. Вход винтового канала 8 соединен с каналом 2 подачи топлива от топливного насоса, а выход винтового канала 8 соединен с каналом 9 подачи топлива в камеру сгорания двигателя (не показана). Материал нагревательного элемента 3 обладает высокой теплоемкостью, то есть способностью аккумулировать тепловую энергию, например выполнен из стали 30ХГСА.
Вариант выполнения устройства подогрева топлива (фиг. 2) содержит корпус 1, канал 2 подачи топлива под давлением, полый нагревательный элемент 3 с винтовым гребнем 7 на наружной поверхности, пиротехнический электровоспламенитель 4, соединенный с полостью 5 нагревательного элемента, которая заполнена пиротехническим составом 6, при этом нагревательный элемент 3 размещен в топливной полости агрегата (или трубопроводе) 10, в выходном канале 9 топливной полости размещен клапан 11, открывающий подачу предварительно подогретого топлива в двигатель. В этом случае винтовой гребень увеличивает площадь теплопередачи нагревательного элемента.
Такое выполнение устройства позволяет расширить область применения устройства подогрева топлива путем установки нагревательного элемента 3 с пиротехническим электровоспламенителем 4 в любую подходящую топливную емкость (например, может быть размещена в корпусе топливного насоса, выполнена в одном модуле с клапаном или другим агрегатом топливной аппаратуры).
В процессе запуска газотурбинного двигателя включают систему подачи топлива в камеру сгорания от топливного насоса (не показаны), подают электрический сигнал на срабатывание пиротехнического электровоспламенителя 4, при этом пиротехнический состав 6 сгорает в полости 5 и нагревает металл нагревательного элемента 3. Топливо, двигаясь по винтовому каналу 8, нагревается от тепла нагревательного элемента 3 (за счет кондуктивного теплообмена) и через выходной канал 9 подается в камеру сгорания двигателя.
Такое выполнение устройства позволяет повышать температуру топлива, подаваемого в камеру сгорания при запуске малоразмерного двигателя, что способствует уменьшению времени запуска двигателя.
Размещение полого нагревательного элемента в топливной полости (трубопроводе) с клапаном подачи топлива позволяет обеспечить предварительный подогрев (за счет кондуктивного и конвективного теплообмена) увеличенного количества топлива перед подачей его в двигатель.