ПРОТИВОТОЧНЫЙ ПЛАСТИНЧАТЫЙ МАТРИЧНО-КОЛЬЦЕВОЙ МАЛОГАБАРИТНЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ РЕКУПЕРАТОР
COUNTERFLOW PLATE MATRIX-RING SMALL-SIZED CERAMIC RECUPERATOR

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности к газотурбостроению, где создаются высокоэкономичные газотурбинные двигатели и установки с регенерацией теплоты. Одним из важных элементов таких двигателей и установок является рекуператор, в котором теплота уходящих газов передается сжатому цикловому воздуху.
Необходимо отметить, что одним из существенных недостатков современных трубчатых и пластинчатых рекуператоров является их громоздкость и, как следствие, значительные габариты и масса, значительно превышающие аналогичные характеристики всех прочих элементов газотурбинной установки вместе взятых.
Известный пластинчатый рекуператор принят в качестве ближайшего аналога настоящего изобретения [1, с.357].
Целью настоящего изобретения является значительное повышение технического совершенствования пластинчатого рекуператора. Предложенный рекуператор перспективен для его использования в газотурбинных установках открытого цикла, что убедительно подтверждено приведенными расчетами.
В предлагаемом изобретении указанная выше цель достигается тем, что в воздушно-газовом противоточном пластинчатом матрично-кольцевом малогабаритном керамическом рекуператоре, состоящем из ряда цилиндрических теплообменных матриц разного диаметра, установленных соосно одна в другой, при этом каждая матрица выполнена в виде цилиндрического стакана, собранного в виде стопки плоских кольцевых листов-пластин с отверстиями и поперечными, имеющими определенный окружный шаг прорезями, образующими в цилиндрической теплообменной стаканообразной матрице при сложении пластин систему продольных каналов, а при соосном размещении матриц одной в другую - систему коротких поперечных каналов и предназначенными для раздельного пространственного движения в них нигде не смешивающихся между собой потоков воздуха и отработанного горячего газа, по периметру стенок каждой из пластин с определенным продольным шагом выполнено, по меньшей мере, по одному обновляющему пограничный слой интенсификатору, например, в виде поперечных канавок, систем углублений, выступов и т.д.
Предлагаемое изобретение поясняется схематическими чертежами, представленными на фиг.1-11.
На фиг.1 показана в плане схема компоновки цилиндрических теплообменных матриц разного диаметра, установленных соосно одна в другой, а на фиг.2 - элемент А этой схемы. Видно, что в плане каждая теплообменная матрица представляет собой кольцо определенного внутреннего диаметра и постоянной у всех матриц ширины. Каждое такое кольцо имеет определенное количество центральных отверстий 1 и периферийных полуотверстий 2. Отверстия 1 представляют собой поперечные сечения каналов, по которым движутся потоки холодного сжатого воздуха, а полуотверстия - поперечные сечения, по которым движутся потоки горячих газов. На фиг.3 представлен продольный разрез рекуператора и показаны направления движения (стрелками) теплоносителей, причем в верхней половине продольного разреза показана геометрия воздушного (холодного) тракта (сеч. Б-Б, фиг.2) рекуператора, а на нижней - газового (горячего) его тракта (сеч. В-В, фиг.2). На фиг.4 показана пластина из 7 цилиндрических матриц, а на фиг.5 и 6 - стопка таких пластин с иллюстрацией геометрии интенсификаторов течения в воздушных и газовых каналах. Кроме того, на фиг.7, 8 и 9 приведены фотографии элементов модельного металлического рекуператора 19 (фиг.10, 11), конкретная геометрия интенсификатора в виде поперечных канавок в каналах рекуператора и модельный рекуператор в сборе, а на фиг.10 и 11 - конструктивная схема для испытаний модельного рекуператора и фотография модельного рекуператора на испытательном стенде.
Возвращаясь к фиг.1, можно видеть, что структура рекуператора в рассматриваемом конкретном конструктивном варианте имеет семь цилиндрических теплообменных матриц, включая центральную 3 и периферийную 4 матрицы.
На фиг.3 представлены схемы подвода холодного воздуха 5, отвода нагретого в рекуператоре воздуха 6, подвода горячих газов 7 и отвода охлажденных газов 8.
Для выравнивания давления горячих газов по всему сечению пластины теплообменных цилиндрических матриц газовые каналы 2 соединены поперечными прорезями 9 (фиг.4), выполненными в перемычке 10.
По периметру стенок воздушных 1 и газовых 2 отверстий 8 каждой из пластин с определенным продольным шагом выполнены обновляющие пограничный слой интенсификаторы 11 и 12 в виде поперечных канавок, систем углублений, выступов (фиг.5, 6), причем для оптимизации прочностных характеристик стенки 13 между воздушными 1 и газовыми 2 каналами интенсификаторы 11 воздушного потока и интенсификаторы 12 газового потока следует выполнять с одинаковым продольным шагом, но со смещением интенсификаторов 11 относительно интенсификаторов 12 на половину шага.
На фиг.7 показаны фотографии элементов модельного металлического рекуператора - две секции поверхности теплообмена (матрицы), камеры подвода и отвода нагреваемого воздуха и греющего газа. Сборка элементов относительно друг друга проводилась в строго определенном положении за счет совмещения вырезов контактирующих деталей и стягивания при помощи фланцев и шпилек в единое целое - модель рекуператора.
Фиг.8 иллюстрирует в качестве примера одну из возможных конструкций интенсификаторов 11 и 12 в воздушных и газовых каналах рекуператора, реализованного в испытанном модельном рекуператоре. Здесь приведены абсолютные размеры интенсификаторов в виде поперечных канавок, выполненных по всему контуру каналов 1 и 2 с продольным шагом 0,95 мм.
Спроектированный и изготовленный модельный металлический рекуператор в сборе представлен на фиг.9 с указанием всех патрубков подвода и отвода как воздуха, так и газа, а конструктивная схема стенда для его испытаний - на фиг.10. На этой же схеме отмечены точки измерения определяющих теплотехнических параметров - температур (№№20…27) и давлений (№№28…31). Приведены также фото испытательного стенда модельного рекуператора (фиг.11).
Рассматриваемый рекуператор работает следующим образом. Сжатый цикловой холодный воздух подводится в рекуператор по стрелкам 5 (фиг.3) во все каналы 1. Горячие газы подводятся в центр рекуператора по стрелкам 7 (фиг.3) и направляются в систему состыкованных полуотверстий 2 (фиг.5), пойдя в противотоке воздуха через всю длину рекуператора, выпускаются из теплообменника по стрелке 8 (фиг.3).
Выпуск подогретого в рекуператоре сжатого воздуха осуществляется по стрелкам 6. Материалом рекуператора могут служить конструкционная керамика и металлы.
Литература:
1. Я.И.Шнеэ, Газовые турбины (теория и конструкция), М.: МАШГИЗ, 1960, стр.357.