CN102959205B - 置入涡轮发动机排气装置内的热交换结构 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种用于涡轮发动机排气装置的热交换结构，适合优化性能、重量和使用成本之间的总体协调。为此，本发明提出了热交换元件，能够部分地阻隔排放气体的热气流，从而确保最佳回收。在置入用于涡轮发动机燃气流(1)的排气管路(10)内的结构的一个实施例中，涡轮发动机为涡轮轴发动机(20)，包括燃气发生器(22)和经由贯通轴(28)和上游减速齿轮(29)，向轴(30)提供动力的自由涡轮(27)。环形板形状的交换器(60)安装在喷射器(16)的轴线对称部分内。交换器包括进气通道(61)和排气通道(62)，连接到中央通道(6)的进气口和排气口，所述中央通道在环形板(60)内绕成螺旋形或正弦弯曲形状的。通道(61)和(62)在其另一端连接到用于能量回收和循环的机械或机电装置上，从而改善了涡轮发动机的整体性能。能量经由冷流体而回收，所述冷流体在中央通道(6)内通过来自剩余气体(1)的热量传输而被加热。

Description

置入涡轮发动机排气装置内的热交换结构

技术领域

本发明涉及到一种热交换结构，设计该热交换结构以能够使涡轮发动机排气装置内实现最佳安装。

背景技术

此处，涡轮发动机定义为航空燃气发动机，能够在轴处提供动力。涡轮轴发动机(直升机发动机，辅助动力装置或称APUs)和涡轮螺旋桨发动机(飞机，无人驾驶飞机)通常都属于这一类。

通常情况下，飞机涡轮发动机的基本结构包括沿相同主要线路，从上游至下游连续顺序的具有旋转对称性的基本部件单元：进气口、至少一个空气压气机、气体燃烧室、至少一个用来通过高压轴来驱动压气机的高压涡轮，至少一个将燃烧产生能量转换可用机械能量的自由涡轮，该自由涡轮与动力轴相啮合，从而驱动负载，和将剩余气体排出的装置。

构成排气装置结构单元的形状取决于涡轮发动机结构，后者则又取决于动力输出端的位置。发现采用如下结构：

-装有贯穿动力轴和前动力输出端的涡轮发动机，

-装有后动力轴和经由外轴的前动力输出端的涡轮发动机，

-装有带后动力输出端的后动力轴的涡轮发动机。

有利的是，在排出热气体的结构单元中置入热交换装置，以回收剩余能量，并可将其重新输入到涡轮发动机中，从而可以增加轴处可用动力，由此提高发动机的效能。

热交换器在陆地上燃气涡轮发动机上已经使用，具有与航空涡轮发动机相同类型的结构，但是不受质量的限制。此外，对于这些涡轮机来讲，部件使用寿命通常要胜过部件的效能。

用于陆地涡轮机的这些热交换器一般都是阻隔类型，布置在排气装置内，以便所有排出的气体流过它们。这种热交换器可以在热燃气流出口处最大限度地回收能量。但是这种回收会导致重量的大大增加，同时在排气装置处有重大的压降。所以，这些热交换器不能用在航空涡轮发动机上。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于涡轮发动机的排气装置的热交换结构，适于优化这种结构的性能、重量、生产成本和使用成本(消耗、保养)之间的总体协调。

为此，本发明提出了一种热交换结构，该结构部分地阻隔热排放燃气流，无强烈扰动，目的是优化排放燃气热能的局部回收。根据所涉及的涡轮发动机的结构，这种方法可以调整交换结构的参数(位置、孔隙度、供应、压力、空气动力特性等)，目的是优化总体协调。

更确切地说，本发明的目的是带有置入用于涡轮发动机的热燃气流的排气管路中的热交换器的结构，其中，安装在构成排气管路的单元之一内的热交换元件具有能够引导热燃气流的结构。在整体地扩散这些燃气的环境下，获得这些燃气流的部分阻隔，同时一部分气流流过这些热交换元件，从而在排放燃气中回收一些剩余热能量，以增加在涡轮发动机轴处可用动力，但又不会实质上扰动燃气流。

根据特定的实施方式：

-热交换元件具有其截面为连续性发展的结构，这样，燃气流移动而不会有扰动；

-在截面上，该元件具有相对于排气管路而被限制的局部结构，流过这些热交换元件的那部分气流很少，因此，热交换元件产生了很小的对排放燃气流的阻隔。

-在截面上，相对于排气管路，热交换元件具有基本完整的结构，带有足够高的孔隙率或渗透率，使得排放燃气流的阻隔保持为部分，“完整”的意思是指交换截面会在排气管路的整个截面上延伸；

-在带有由结构臂支撑的中央锥体的扩散器、排气喷管、延伸件/偏转器和端喷射器之间，按上游至下游顺序，选择安装热交换元件的排气装置；

-在环形中间结构、用径向板引导气流的叶片组件/偏转器的结构、气流分流器结构，特别是径向的，有利地在热燃气流进气口处具有可变的孔隙率的气流分流器结构之间，选择热交换元件的结构，特别目的是均质燃气流；因可增加气流扩散，同时保持排气的等稳定性和等长度，或缩短排气，但同时保持等扩散性，中间或分流形状对扩散特性会有影响；

-每个热交换元件包括一个或几个独立的供冷流体的通道，在采用多个管路的情况下，其压力会彼此不同；

-根据这些元件的结构和其所安装的排气装置的结构，热交换元件定位在排气管路内和模制其形状，或者热交换元件是独立的，即位于管路内部；

-为了在与喷管或延伸件/偏转器的连接处保持因文丘里效应而产生的喷射器进气能力，有利的是，可选择单独位置，与直接来自端喷射器上游的装置布置在一起，这种单独布置可在热交换器的周围，和/或在端部喷射器内，留下一股非干扰气流；

由于它们的结构和布置形式，热交换器元件能够构成绝缘表面和吸声材料，这样，阻力和空气动力噪声会大大地降低。

附图说明

在下面与具体非限定性实施方式相关的说明并参照附图，本发明的其它方面、特性和优点会显现出来，其中附图分别如下：

图1为涡轮发动机排气组件部件单元的剖面示意图；

图2为带有位于涡轮发动机喷射器内的环形热交换元件的结构的剖面示意图，该涡轮发动机在涡轮贯通轴处带有通过减速齿轮的动力输出端；

图3为带有热交换元件的结构的剖面示意图，所示热交换元件形状适于置于延伸件内或部分地置于涡轮发动机喷射器内部，在外螺旋桨轴处带有前动力输出端，该螺旋桨轴经由减速齿轮在后部与涡轮轴相啮合；

图4为带有热交换元件的结构的剖面示意图，所示热交换元件形状适于置于涡轮发动机喷管或喷射器内部，所示发动机带有后直接动力输送端；

图5为排气装置剖面示意图，该排气装置在弯曲喷射器内部带有优化的热交换元件的位置；

图6a到6c示出了结构的三个剖面示意图，该结构包括位于扩散器/喷管内部的热交换元件，该热交换元件的位置和排气装置的结构都适合增加扩散性；

图7a到7d示出了结构的两个剖面示意图和两个透视图，该结构包括环形热交换元件，该环形热交换元件带有位于扩散器/喷管内的双层板子，或者带有扩散角的增加(图7a和7c)，或者带有缩短了喷管(图7b和7d)；

图8为包括热交换元件的结构的透视图，该热交换元件带有位于涡轮发动机扩散器/喷管内部的径向板，以及

图9为弯曲喷管结构的透视图，包括作为完整径向板的热交换元件，其曲度与喷管的主管路相符。

具体实施方式

在下面的说明书中，术语“上游”和“下游”分别表示前和后，这是相对于带有直线主轴线X′X的涡轮发动机燃气流方向的位置。此外，在所有附图中，具有相同功能的相同或相似元件都标以相同和密切相关的附图标记。

参考图1，涡轮发动机排气管路10的剖面示意图，包括在相对于轴线X′X的上游至下游方向相继连接到一起的单元，即：扩散器11，包括用于燃气流1的扩散锥体12，该扩散锥体12沿轴线通过在所示实施例中为径向的臂13安装，喷管14，延伸件15，该延伸件通常会使燃气流1整体偏转，以及带有打开的环形连接接头17的燃气喷射器16，以便吸入空气2。扩散器11和喷管14可构成单个的扩散器-喷管单元18。

根据本发明的排气结构的热交换元件可安装在任何形式的涡轮发动机中，特别是在贯通主动轴处带有前动力输出端的涡轮发动机中，在后啮合的外主动轴处带有前动力输出端，以及在后涡轮轴处带有直接动力输出端的涡轮发动机中。图2到图4示出了热交换元件在这些类型涡轮发动机排气管路中的最佳布置形式。

参照图2，涡轮发动机为涡轮轴发动机20，通常包括燃气发生器22，其由压气机23、燃气燃烧室24和经由高压轴26和自由涡轮27驱动压气机23的高压涡轮25组成，本实施例中压气机23为离心式。燃气发生器22围绕轴线X′X具有旋转对称性。自由涡轮27经由贯通主动轴28和减速齿轮29来驱动用于负载(螺旋桨转子，附件等)的动力轴30。贯通轴28和动力轴30通过齿轮P1和P2与减速齿轮29啮合。

通过进气道40进入的空气1被压气机23压缩，喷入燃烧室24，以便与燃油混合和产生燃烧。该燃烧提供很高的动能给燃烧室出口处的气体1，旋转驱动自由涡轮27。剩余气体1通过扩散器/喷管18排出，然后经过端部喷射器16，后者通过打开的连接接头17而与扩散器/喷管18相连接。

环形板60形式的热交换器通过任何可能的众所周知的装置(隔板，臂等)安装在喷射器16的轴线对称的上游进气部分内。这些安装装置还可在下面所有示例性结构中使用。热交换器包括进气通道61和排气通道62，二者连接到中央通道6的进气口和排气口，而中央通道6在环形板60内绕成螺旋形或正弦曲线形状。通道61和62在其另一端连接到机电或机械装置上，用来回收和循环能量，以便改善涡轮发动机的整体效能。该能量通过在热交换元件内循环的冷流体来回收，并通过热剩余气体喷射时热剩余气体1热量的热转移而在中央通道内被加热。

这种转移是由于通过形成孔洞63而获得的板60的渗透率或孔隙率来实现(如图7b，7d，8和9所示)。这些孔洞具有适合热交换元件的位置和结构的恒定或可变的直径和密度。

参照图3的剖面示意图，涡轮轴发动机20a的结构在外动力轴31处带有前动力输出端，外动力轴31通过减速齿轮29而与涡轮27的轴32在后端啮合。这种涡轮轴发动机20a排气管路包括扩散器/喷管18、延伸件15和轴线对称喷射器16a。热交换元件包括板60a，安装在延伸件15的非轴线对称部分并连接到进气和排气通道61和62上。板60a为准环形的，带有平行外面6e和内面6i，其形式适合并有利于平行于延伸件15的相对面。作为可替代方案，热交换元件的板60b部分安装在延伸件内和部分安装在喷射器内，优选大部分在轴线对称的喷射器16a内。在这种情况下，板60b为环形，带有圆形截面的面6′e和6′i。

如图4剖面图所示，在后轴32处带有直接动力输出端的涡轮轴发动机20b中，即没有减速齿轮，排气结构包括扩散器11、非轴线对称的弯曲喷管14′和轴线对称的喷射器16a。热交换元件包括准环形的板60c，安装在喷管14′的下游部分内，面6e和6i平行于喷管14′的形状。作为可替代的方案，环形板60b可以安装在喷射器16a内，面6′e和6′i带圆截面。

在所有上述布置中(图2到图4)，热交换元件60或60a至60c的环形或准环形板设在靠近排气单元的面的区域内。在这些条件下，该板可输入来自燃气发生器的热燃气，热燃气流过层形的板，同时留下了中央和大部分非扰动燃气流1。

如果排气单元带有分开的或低马赫(低燃气速度)区域时，热交换元件可有利地呈现非环形形状。为此，图5的剖面示意图涉及到了带有弯曲喷射器16b的排气管路。这种喷射器与轴线对称的扩散器/喷管18a相连接，并带有大曲度的隔离区Z1，因为燃气流在扩散器/喷管18a内轴向流动，所以燃气流1绕过了所述隔离区域。热交换元件包括安装在喷射器16b较低曲度曲线内的管状板60d，位于隔离区Z1的相对一侧，从而可以接收燃气流1的良好供应。

有利的是，热交换器可以具有通过改善这种扩散的空气动力特性，从而控制和优化了燃气流扩散的结构。

图6a至6c示出了结构的三种不同剖面示意图，这种结构包括了位于扩散器/喷管内的环形热交换元件，可以降低热交换器出口处的静态压力。参照图6a，热交换元件包括环形板60e，安装在向下游打开的轴线对称锥形扩散器/喷管18a内，和进气-排气通道61和62。板60e抵靠位于扩散器/喷管的内面18i。作为可替代的方案(图6b)，扩散器/喷管18a带有准圆柱形部分18c，即稍稍向下游打开，其中，安装有环形板60e。然后，扩散器/喷管18a(虚线所示为预先改进部分)带有更打开的部分18d，从而可以与扩散器/喷管18a的非改动外形相匹配。

在这前两个变化方式中，压力的静态分量通过非阻隔气流的较少扩散而在热交换器60e的排气口处被减小。这样，有利于流过板60e的燃气流1的扩散。在图6c所示情况下，安装扩散器/喷管18e的环形交换板60f的部分呈现锥形，在下游会聚。由于扩散器/喷管18a的部分18e缩小，非阻隔燃气流从而会加速。非阻隔气流的这种加速给热交换板60f输入燃气流供应。

为了改善扩散特性，热交换元件可以包括与喷管相连的锥形环形板，喷管具有相同的形状。图7a到7d表示结构的剖面示意图(图7a和7c)和透视图(图7b和7d)，包括位于扩散器/喷管18内带有两个同心环形板60g和60h的所谓“***”式类型的热交换元件。相对于扩散器部分11-12，，喷管部分14a带有较大角度的锥度，例如25°，例如13°，该锥度对应于非改进型喷管14(虚线部分)的锥度。同心环形板60g和60h具有角度稍小的锥度，例如，分别为21和15°。

通常，喷管14a的长度与非改进型喷管相同(图7a)。该项操作实质上会增加扩散，引起更高系数的静态回收，和从而更高效能的涡轮轴发动机。作为可替代的技术方案(图7c)，相对于非改进型喷管14，缩短喷管14b，以便该扩散能满足其初始水平。在这些情况下，在相等扩散时，喷管的缩短会节省重量，缩小体积。

图7c和7d示出了这种结构的透视图，包括环形热交换元件，所述热交换元件分别带有两个提高扩散的同心环形板60g和60h，和缩短的喷管14b。这些板通过圆柱形径向臂7安装在喷管14a和14b内。该臂可以包括板60g和60h的进气通道61和排气通道62。图7b和7d(以及下面的图8和图9)可见扩散器部分11，其包括由径向臂13保持的扩散锥体12，以及自由涡轮27，剩余热燃气经由该涡轮而膨胀，和空气流动孔洞63，这些均可在板的下游截面上看到。

热交换元件还可以包括许多径向板，目的是形成叶片组件形式的热交换器，用来引导气流。于是，图8示出了排气结构的透视图，包括在扩散器/喷管18的喷管部分14内的8个径向平面板9，通过任何可能的众所周知的固定方式(焊接、螺丝连接、铆接、接头、臂、隔板固定)安装在喷管的内面14i处。径向板9通过在涡轮排气口处引导燃气流1而可以增加喷管14的压力回收系数。

进气通道61和排气通道62均连续地从一个板连接至另一个板，并连接到能量回收装置上。作为可替代的方案，可以通过各自进气-排气通道和共同输送和返回模块平行地给板供应燃气。上面已经介绍的其它单元在该附图中出现：带有扩散锥体12的扩散器部分11、径向臂13、自由涡轮27。

在图9的带有弯曲喷管的排气结构的透视图中示出了带有气流分流器结构的热交换元件。该结构的形式为完整的径向板60i，其曲度与喷管18和喷射器16的平均曲度相符。另外，该附图还出现了已经描述的单元(进气-排气通道61和62、扩散器11和扩散锥体12、径向臂13、自由涡轮27)。不论该喷管是直的还是弯曲的(如图9所示)，这种分流板结构对扩散特性会有影响：与***板一样，会因为排气的等稳定性和等长度而增加气流的扩散，或缩短排气的等扩散性。另外，通过在涡轮出口处引导燃气流1，还会增加喷管18的压力回收系数。

在确保喷气偏转功能的弯曲喷管的情况下(参见图9)，这种分流板的结构还会通过确保喷流的良好导向来参与偏转。

本发明并不限于所述和所示的实施例。例如，可以提供具有交叉或星形结构的热交换板以便形成分流器。此外，排气管路可以限定为喷管，或包括所安装的附加排气单元的全部或部分：扩散器、延伸件、偏转器和/或喷射器。此外，每个热交换元件都包括一个或几个独立的冷流体循环通道，在采用多个管路的情况下，其压力彼此不同。

Claims (10)

1.带有置入用于涡轮发动机的热燃气流的排气管路(10)内的热交换器的涡轮发动机的结构，其特征在于：安装在构成排气管路(10)的单元中一个单元内的热交换元件具有在整体地扩散这些燃气的环境中能够引导热燃气流和获得该燃气流的部分阻隔的结构，同时，一部分燃气流流过这些热交换元件，这些热交换元件与排放气体的剩余热能量回收和循环的机械或机电装置来连接，以增加涡轮发动机(20,20a,20b)轴(30,31)处可用动力，而不会实质上扰动燃气流，其中热交换元件在截面上带有局部结构，其相对于它们安装在其中的排气管路(10)而受到限制。

2.根据权利要求1所述的带有置入用于涡轮发动机的热燃气流的排气管路(10)内的热交换器的涡轮发动机的结构，其中热交换元件具有其截面以连续方式渐变的结构。

3.根据权利要求1所述的带有置入用于涡轮发动机的热燃气流的排气管路(10)内的热交换器的涡轮发动机的结构，其中流过这些热交换元件的气流部分是少数，以便热交换元件对排放燃气流产生很小阻隔。

4.根据权利要求1所述的带有置入用于涡轮发动机的热燃气流的排气管路(10)内的热交换器的涡轮发动机的结构，其中相对于排气管路(10)，热交换元件在截面上带有基本完整的结构，带有足够高的孔隙率或渗透率，以便排放气体流保持部分被阻隔。

5.根据权利要求1所述的带有置入用于涡轮发动机的热燃气流的排气管路(10)内的热交换器的涡轮发动机的结构，其中在带有由结构臂(13)支撑的中央锥体(12)的扩散器、排气喷管、延伸件/偏转器和端部喷射器之间，按照从上游至下游顺序选择其中安装热交换元件的排气单元。

6.根据权利要求1所述的带有置入用于涡轮发动机的热燃气流的排气管路(10)内的热交换器的涡轮发动机的结构，其中在环形中间结构、用径向板引导气流的叶片组件/偏转器结构、燃气流分流器的结构，在热燃气流进气口处带有变化孔隙率的燃气流分流器的结构之间选择热交换元件的结构。

7.根据权利要求6所述的带有置入用于涡轮发动机的热燃气流的排气管路(10)内的热交换器的涡轮发动机的结构，其中，中间结构和燃气流分流器的结构可以增加燃气流的扩散，同时保持排气的等稳定性和等长度，或者缩短排气，同时保持等扩散性。

8.根据权利要求1所述的带有置入用于涡轮发动机的热燃气流的排气管路(10)内的热交换器的涡轮发动机的结构，其中每个热交换元件包括一个或几个单独的冷流体通道。

9.根据权利要求1所述的带有置入用于涡轮发动机的热燃气流的排气管路(10)内的热交换器的涡轮发动机的结构，其中热交换元件可以定位在排气管路(10)内和模制安装它们的单元的形状或者热交换元件为独立式的。

10.根据权利要求1所述的带有置入用于涡轮发动机的热燃气流的排气管路(10)内的热交换器的涡轮发动机的结构，其中热交换元件，由于其结构和设置，能够构成绝缘表面和吸声材料以大大降低阻力和空气动力噪声。