КОНСТРУКЦИЯ ТЕПЛООБМЕННИКА, ИНТЕГРИРОВАННАЯ В ВЫПУСКЕ ТУРБОМАШИНЫ
DESIGN OF HEAT EXCHANGER INTEGRATED INTO TURBINE MACHINE OUTLET

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к конструкции теплообмена, обеспечивающей оптимальное включение в систему выпуска турбомашины.
В данном случае турбомашина определена как авиационная газоустановка, которая способна подавать на вал мощность. Как правило, в данной категории выделяют турбинные двигатели (вертолетные двигатели, дополнительные единицы мощности или APU - вспомогательная силовая установка) и турбовинтовые двигатели (самолетов, беспилотных летательных аппаратов).
Обычно базовая конструкция турбомашины летательного аппарата содержит в качестве основных компонентов, последовательно расположенных в форме тел вращения, по основной оси турбомашины от направления вверх по потоку в направлении вниз по потоку перемещения газового потока: воздухозаборник; по меньшей мере, один воздушный компрессор; камеру сгорания газов; по меньшей мере, одну турбину высокого давления приведения в движение компрессора посредством вала высокого давления; по меньшей мере, одну свободную турбину преобразования энергии, полученной в результате сгорания, в механическую энергию, отбираемую на валу мощности для подачи на нагрузки; и систему выпуска остаточных газов.
Форма конструктивных элементов, образующих систему выпуска, зависит от конструкции турбомашины, которая, в свою очередь, зависит от места отбора мощности. Выделяются конструкции турбомашины, оснащенные:
- сквозным валом мощности и передним механизмом отбора мощности;
- задним валом мощности и передним механизмом отбора мощности через внешний вал;
- задним валом мощности с задним механизмом отбора мощности.
Предпочтительно интегрировать в элементы конструкции выпуска горячих газов средства, обеспечивающие теплообмен, для возвращения части тепловой энергии для ее повторного использования путем повторного ввода под давлением в турбомашину для увеличения имеющейся мощности на валу и, таким образом, коэффициента полезного действия установки.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Теплообменники существуют для наземных газовых турбин, которые имеют такую же конструкцию, что и авиационные турбомашины, но которые не обладают весовыми ограничениями. Кроме того, для этих турбин срок эксплуатации конструктивных элементов, как правило, является приоритетеным над коэффициентом полезного действия компонентов. Указанные теплообменники наземных турбин относятся, как правило, к теплообменнику барьерного типа и расположены на выпуске для того, чтобы через них полностью проходили выхлопные газы. Такие теплообменники позволяют доводить до максимума повторное использование энергии на выходе потока горячих газов. Но такое повторное использование возвращенной части энергии приводит к существенному увеличению веса к большой потере давления на выбросе. Такие теплообменники, таким образом, не применяются в авиационных турбомашинах.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение имеет задачей практическую реализацию конструкции теплообмена на выпуске из турбомашины, которая позволяет добиться оптимального общего компромисса между рабочими характеристиками, массой, стоимостью производства и эксплуатационными расходами (потребление энергии, техническое обслуживание) такой конструкции. Для этого в изобретении предлагается частично обструктивная конструкция теплообмена потока горячих выхлопных газов, без сильного возмущающего воздействия, для оптимального частичного возвращения тепловой энергии выхлопных газов для повторного использования. Такой подход корректировки параметров конструкции теплообмена (местоположение, проницаемость, подача, давление, аэродинамические характеристики и т.д.) зависит от конструкции рассматриваемой турбомашины для оптимизации общего компромисса.
В частности, настоящее изобретение касается конструкции турбомашины с теплообменником, интегрированным в выпускной газовоздушный тракт потока горячих газов турбомашины, в которой элементы теплообмена, установленные в одном из элементов выпускного газовоздушного тракта, выполнены с возможностью направлять часть потока горячих газов, проходящую через указанные элементы теплообмена, с последующим использованием остаточной тепловой энергии указанной части потока горячих газов для увеличения мощности на валу турбомашины, оставляя большую часть потока горячих газов невозмущенной.
Согласно конкретным вариантам осуществления изобретения:
элементы теплообмена имеют конструкцию, сечение которой непрерывно растет в направлении потока горячих газов;
элементы теплообмена представляют собой в сечении конструкцию, ограниченную относительно выпускного газовоздушного тракта, в котором они установлены, и часть потока горячего газа проходящего сквозь эти элементы теплообмена, является незначительной относительно общего потока горячих газов;
элемент теплообмена образует в сечении структуру по существу цельную с выпускным газовоздушным трактом, обеспечивающую высокую проходимость части потока горячих газов не проходящей через указанный элемент теплообмена;
элементы теплообмена установлены в одном из следующих элементов выпуска: диффузоре с центральным конусом, удерживаемым конструктивными стойками, выпускном сопле, насадке/дефлекторе и оконечном эжекторе, которые расположены в направлении газового потока турбомашины, проходящего по оси Х'Х от направления вверх по потоку в направлении вниз по потоку;
элементами теплообмена являются: кольцевая промежуточная структура, или конструкция устройства спрямления/отклонения направления потока с радиальными пластинами, или радиальная конструкция разделения потока, воздухопроницаемость которой изменяется на входе потока горячих газов;
каждый элемент теплообмена включает в себя один или множество самостоятельных каналов холодной жидкости;
элементы теплообмена расположены в выпускном газовоздушном тракте, и повторяют форму элемента выпускного газовоздушного тракта, в котором они установлены;
элементы теплообмена имеют поверхности из шумопоглощающих материалов и имеют структуру и компоновку обеспечивающие существенное снижение авиационных шумов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие аспекты, характеристики и преимущества изобретения станут очевидны из нижеследующего описания вариантов его осуществления, не имеющих ограничительного характера, приводимого со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 представляет собой схематический вид в разрезе составных конструктивных элементов системы выпуска турбомашины;
Фиг. 2 представляет собой схематический вид в разрезе конструкции с элементом кольцевого теплообменника в эжекторе турбомашины с передним отбором мощности на валу турбины, проходящим через редуктор;
Фиг. 3 представляет собой схематический вид в разрезе конструкции с элементом теплообмена, имеющим адаптированную форму, в насадке, или частично интегрированным в эжектор турбомашины с передним отбором мощности на внешнем передаточном валу, находящимся в заднем зацеплении на валу турбины посредством редуктора;
Фиг. 4 представляет собой схематический вид в разрезе конструкции с элементом теплообмена, имеющим адаптированную форму, в сопле или в эжекторе турбомашины с непосредственно задним отбором мощности;
Фиг. 5 представляет собой схематический вид в разрезе выпуска с оптимальным расположением элемента теплообмена в изогнутом эжекторе;
Фиг. 6а-6с представляют собой три схематических вида в разрезе конструкции, включающей в себя элемент теплообмена в диффузоре/сопле с размещением данного элемента теплообмена и конструкции выпускного конструктивного элемента, способного увеличивать рассеивание;
Фиг. 7а-7d представляют собой, соответственно, два схематических вида в разрезе и два схематических вида в изометрии конструкций, включающих в себя элемент кольцевого теплообменника с двойными пластинами в диффузоре/сопле или с увеличением угла рассеивания (фиг. 7а и 7с), или с сужением сопла (фиг. 7b и 7d);
Фиг. 8 представляет собой вид в изометрии конструкции, включающей в себя элемент теплообмена с радиальными пластинами в диффузоре/сопле турбомашины;
Фиг. 9 представляет собой вид в изометрии конструкции изогнутого сопла, включающего в себя элемент теплообмена с цельными радиальными пластинами, имеющими кривизну согласно основной линии сопла.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В нижеследующем описании понятия «вверх по потоку» и «вниз по потоку», или "передний" и "задний" - ассоциируются с направлением газового потока турбомашины относительно ее главной оси Х'Х. Кроме того, на всех фигурах чертежа идентичные или схожие конструктивные элементы, выполняющие одну и ту же функцию, обозначены идентичными или схожими цифровыми позициями.
Со ссылкой на фиг. 1, схематический вид в разрезе выпускного газовоздушного тракта 10 турбомашины состоит из конструктивных элементов, которые соединены друг с другом, соответственно, если следовать спереди назад по оси Х'Х, а именно: диффузора 11, содержащего конус рассеивания 12 газового потока 1 (установлен на оси при помощи в изображенном примере радиальных стоек 13), сопла 14, насадки 15 (как правило, в целом дефлектора газового потока 1) и эжектора газов 16 с кольцевым соединением 17, открытым для всасывания воздуха 2. Диффузор 11 и сопло 14 могут образовывать один конструктивный элемент диффузор/сопло 18.
Элементы теплообмена конструкций выпуска, согласно изобретению, могут быть установлены на турбомашинах любых типов, в частности на турбомашинах с передним отбором мощности на сквозном передаточном валу, с передним отбором мощности на внешнем передаточном валу с задним зацеплением, и отбором мощности непосредственно на валу задней турбины. На фиг. 2-4 изображены оптимальные варианты установки элементов теплообмена в выпускных газовоздушных трактах этих типов турбомашин.
Как показано на фиг. 2, турбомашина является турбинным двигателем 20, обычно состоящим из газогенератора 22 (в данном случае образован центробежным компрессором 23, камерой сгорания газов 24 и турбиной высокого давления 25 приведения в движение компрессора 23 через вал высокого давления 26) и свободной турбины 27. Газогенератор 22 имеет форму тела вращения вокруг оси Х'Х. Свободная турбина 27 приводит в движение через сквозной передаточный вал 28 и редуктор 29 вал мощности 30 для нагрузок (ротора винта, вспомогательного оборудования). Сквозные валы 28 и валы мощности 30 находятся в зацеплении с редуктором 29 посредством зубчатых колес Р1 и Р2. Воздух 1, который подают по трубам подачи 40, сжимается компрессором 23, подается под давлением в камеру сгорания 24 для смешивания с топливом и сгорания. Такое сгорание обеспечивает повышенную кинетическую энергию газов 1 на выходе из камеры и приводит свободную турбину 27 во вращение. Остаточные газы 1 удаляются через диффузор/сопло 18, затем через оконечный эжектор 16, сопряженный с диффузором/соплом 18 через открытое соединение 17. Теплообменник в виде кольцевой пластины 60 установлен с использованием любого известного средства (прокладки, стойки и т.д.) во входной передней осесимметричной части эжектора 16. Указанные средства установки повторяются во всех примерах нижеследующей конструкции. Теплообменник образован входным каналом 61 и выходным каналом 62, которые соединены со входом и выходом центрального канала 6, скрученного в форме спирали или синусоиды в кольцевой пластине 60. Каналы 61 и 62 соединены своими другими концами со средствами рекуперации и механической или электромеханической рециркуляции энергии для повышения общего коэффициента полезного действия турбомашины. Возвращаемая энергия преобразуется посредством холодной воды, которая циркулирует в элементе теплообмена и нагревается в центральном канале путем обмена тепла, которое формируется из горячих остаточных газов во время их выброса. Такой теплообмен осуществляется за счет проходимости или проницаемости пластины 60, который образуется в результате выполнения отверстий 63 (схематично изображены на фиг. 7b, 7d, 8 и 9). Эти отверстия имеют постоянный или изменяющийся диаметр и плотность, приведенные в соответствие с расположением и структурой конструктивных элементов теплообмена.
Со ссылкой на схематический вид в разрезе, изображенный на фиг. 3, конструкция турбинного двигателя 20а является конструкцией с передним отбором мощности на внешнем валу мощности 31, находящемся в заднем зацеплении на валу 32 турбины 27 через редуктор 29. Выпускной газовоздушный тракт этого турбинного двигателя 20а образован диффузором/соплом 18, насадкой 15 и осесиметричным эжектором 16а. Элемент теплообмена образован пластиной 60а, установленной в неосесимметричном участке насадки 15 и соединенной с входным и выходным каналами 61 и 62. Пластина 60а является почти кольцеобразной и содержит внешнюю 6е и внутреннюю 6i стороны, которые параллельны и имеют форму, приспособленную, предпочтительно, параллельно стороне противоположной насадки 15. В качестве варианта, пластина 60b конструктивного элемента теплообмена может быть частично установлена в насадке и частично в эжекторе, в основном предпочтительно в осесимметричном эжекторе 16а. В этом случае пластина 60b является кольцеобразной со сторонами 6'е и 6'i, имеющими кольцевое сечение.
В турбинном двигателе 20b с непосредственным отбором мощности на заднем валу 32, т.е. без редуктора, как это изображено на схематическом виде в разрезе, представленном на фиг. 4, конструкция выпуска содержит диффузор 11, изогнутое неосесимметричное сопло 14' и осесимметричный эжектор 16а. Элемент теплообмена образован пластиной 60с, имеющей почти кольцевую форму, установленной в задней части сопла 14', со сторонами 6е и 6i, параллельными конфигурации сопла 14'. В качестве варианта пластина 60b, имеющая кольцевую форму, может быть установлена в эжекторе 16а со сторонами 6'е и 6'i, имеющими кольцевое сечение.
Во всех вышеизложенных случаях установки (фиг. 2-4) кольцевая или почти кольцевая пластина элемента теплообмена 60 или 60а-60с, размещена в зонах, находящихся вблизи сторон выпускных конструктивных элементов. В этих условиях данная пластина хорошо снабжается за счет поверхностного прохождения горячих газов, проистекающих из газогенератора, оставляя центральную и большую часть невозмущенного потока газов 1.
В случае, когда конструктивный элемент выпуска представляет собой форму зоны взлета или совершения полета на скорости с небольшим числом Маха (небольшая скорость газов), элемент теплообмена может иметь, предпочтительно, некольцевую форму. Таким образом, схематический вид в разрезе, изображенный на фиг. 5, относится к выпускному газовоздушному тракту с изогнутым эжектором 16b. Этот эжектор соединен с осесимметричным диффузором/соплом 18а и представляет собой восходящую зону Z1 большой кривизны, огибаемую потоком газов 1 ввиду его осевого истечения в диффузоре/сопле 18а. Элемент теплообмена образован полой пластиной 60d, установленной в более слабом изгибе эжектора 16b, со стороны, противоположной восходящей зоне Z1, для получения хорошего снабжения потоком газа 1. Теплообменник, предпочтительно, может содержать структуры, позволяющие контролировать и обеспечивать оптимальное рассеивание газового потока, улучшая аэродинамические характеристики такого рассеивания.
На фиг. 6а-6с изображены три схематических вида в разрезе конструкции, включающей в себя кольцевой элемент теплообмена в диффузоре/сопле, позволяющий понижать статическое давление на выходе из теплообменника. Как показано на фиг. 6а, элемент теплообмена образован кольцевой пластиной 60е, установленной в осесимметричном диффузоре/сопле 18а конической формы, которое открыто в направлении вниз по потоку, и входным/выходным каналами 61 и 62. Пластина 60е расположена против внутренней стороны 18i диффузора/сопла. В качестве варианта (фиг. 6b), диффузор/сопло 18а содержит почти цилиндрический или немного открытый назад участок 18с, в котором установлена кольцевая пластина 60е. Диффузор/сопло 18а (неизмененные участки показаны пунктирными линиями) содержит далее более открытый участок 18d для исправления неизмененного контура диффузора/сопла 18а.
Согласно этим двум первым вариантам, статическая составляющая давления уменьшена на выходе из теплообменника 60е путем наименьшего направления под углом потока 1а, прохождение которого не затруднено. Газовый поток 1 содержит, таким образом, повышенное рассеивание через пластину 60е. В случае, изображенном на фиг. 6с, участок диффузора/сопла 18е установки кольцевой пластины теплообмена 60f имеет форму конуса, сходящегося вниз по потоку. Незатрудненный газовый поток 1а, таким образом, ускоряется за счет сужения, производимого участком 18е диффузора/сопла 18а. Такое ускорение потока, прохождение которого не затруднено, обеспечивает поток снабжения пластины теплообмена 60f.
Для улучшения характеристик рассеивания элемент теплообмена может состоять из конических кольцевых пластин, сопряженных с соплом аналогичной формы. На фиг. 7a-7d изображены схематические виды в разрезе (фиг. 7а и 7с) и в изометрии (фиг. 7b и 7d) конструкций, включающих в себя один элемент теплообмена данного типа, так называемый «вставочный», с двумя концентрическими кольцевыми пластинами 60g и 60h в диффузоре/сопле 18. Сопловая часть 14а имеет конусность с углом, превышающим, например, 25°, по сравнению с частью диффузора 11-12, например, 13°, которая соответствует конусности неизмененного сопла 14 (показана пунктирными линиями).
Концентрические кольцевые пластины 60g и 60h имеют конусность с углом, который немного меньше, например, 21 и 15°.
В целом сопло 14а имеет такую же длину, что и неизмененное сопло (фиг. 7а). Рассеивание значительно увеличивается за счет такого действия, что приводит к повышению коэффициента статической регенерации и, таким образом, к улучшению технических характеристик турбинного двигателя. В качестве варианта (фиг. 7с), сопло 14b укорочено по сравнению с неизмененным соплом 14 таким образом, что рассеивание достигает своего изначального уровня. В этих условиях с одинаковым рассеиванием укорачивание сопла позволяет получить выигрыш по массе и габаритам.
На фиг. 7с и 7d изображен вид в изометрии данной конструкции, включающей в себя кольцевой элемент теплообмена с двумя концентрическими кольцевыми пластинами 60g и 60h, соответственно, с увеличенным рассеиванием и с укороченным соплом 14b. Эти пластины установлены в соплах 14а и 14b при помощи цилиндрической радиальной стойки 7. Эта стойка может содержать входной 60 и выходной 62 каналы пластин 60g и 60h. На фиг. 7b и 7d (а также на следующих фиг. 8 и 9) также видны часть диффузора 11, которая содержит конус диффузора 12 (удерживается радиальными стойками 13), а также свободная турбина 27, при прохождении через которую остаточные горячие газы ослабляются, и отверстия (видны на заднем сечении пластин) прохождения воздуха 63.
Элемент теплообмена может также состоять из множества радиальных пластин для образования теплообменника типа спрямляющего аппарата газового потока. На фиг. 8 также изображен вид в изометрии конструкции выпуска, включающей в себя в сопловой части 14 диффузора/сопла 18 восемь радиальных плоских пластин 9, установленных на внутренней стороне 14i сопла любыми известными специалистам средствами (сварка, болтовое соединение, клепаное соединение, прикрепление посредством скоб, стоек, поперечных балок, …). Радиальные пластины 9 позволяют повысить коэффициент компенсации давления сопла 14 путем выпрямления газового потока 1 на выходе из турбины.
Входной 61 и выходной 62 каналы последовательно соединены одной пластиной с другой пластиной и соединены со средствами возвращения энергии для повторного использования. В качестве варианта, пластины могут снабжаться параллельно самостоятельными входным/выходным каналами и общими модулями снабжения и повторного использования энергии. На этой фигуре чертежа видны другие конструктивные элементы: диффузорная часть 11 с рассеивающим конусом 12, радиальные стойки 13, уже выше обсуждавшаяся свободная турбина 27. Элемент теплообмена с конструкцией разделения потока изображены на виде в изометрии конструкции выпуска с изогнутым соплом, показанным на фиг. 9. Конструкция в виде цельной радиальной пластины 60i, кривизна которой повторяет среднюю кривизну сопла 18 и эжектора 16. На этой фигуре чертежа также видны уже представленные конструктивные элементы (входной/выходной каналы 61 и 62, диффузор 11 и конус рассеивания 12, радиальные стойки 13, свободная турбина 27).
Независимо от того, является ли сопло прямым или изогнутым (как на фиг. 9), такая конструкция разделяющей пластины заложена в характеристики рассеивания: она позволяет, как и вкладываемые пластины, или увеличивать рассеивание потока с выпускными изостабильностью и изодлиной, или сокращать выпуск с изорассеянием, то есть промежуточная или разделяющая форма (60i) в одном случае увеличивает диффузию по сравнению с конструкцией, имеющей такую же стабильность и длину выброса, но без промежуточной или разделяющей формы, либо позволяет сократить выхлоп, сохранив ту же самую диффузию. Она также позволяет повысить коэффициент компенсации давления сопла 18 путем выпрямления газового потока 1 на выходе из турбины.
В случаях, если речь идет об изогнутых соплах, обеспечивающих выполнение функции изменения направления струи (ср. фиг. 9), такая конструкция разделяющей пластины также задействована в изменении направления, обеспечивая более эффективное направление струи. Настоящее изобретение не ограничено примерами, описание которых приведено и изображено. Например, представляется возможным предусмотреть пластины теплообмена с конструкцией в виде креста или звезды для образования разделителей. Кроме того, выпускной газовоздушный тракт может ограничиться одним соплом или состоять в полном объеме или частично из дополнительных конструктивных элементов выпуска, представленных: диффузором, насадкой, дефлектором и (или) эжектором. Кроме того, каждый конструктивный элемент теплообмена может включать один или множество самостоятельных каналов циркуляции холодной жидкости, показатели давления могут быть различными в случае многочисленных контуров.