CN107110023B - 用于回收废气能量的*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于从至少一个涡轮轴发动机回收废气能量的***(12)，该***包括涡轮(34)、第一热交换器(44)和压气机(36)，该涡轮围绕回收轴(40)被可旋转地安装，该涡轮适于收集废气的至少一部分(14)，该废气的至少一部分被称为收集气体(14)，并且该涡轮适于使所述收集气体(14)膨胀以变成处于低于大气压力的压力的膨胀气体(42)，该第一热交换器适于使用冷源(45)来使所述膨胀气体(42)冷却，以变成冷却气体(46)，该压气机围绕所述回收轴(40)被可旋转地安装，该压气机适于将所述冷却气体(46)压缩到大气压力。

Description

用于回收废气能量的***
技术领域
本发明涉及一种用于从废气回收能量的***。具体地，本发明涉及一种用于从来自于涡轮轴发动机的废气回收能量的***，该涡轮轴发动机被安装到例如为直升机的航空器。
背景技术
包括直升机的航空器通常安装有一个或多个涡轮轴发动机，涡轮轴发动机的原理是通过燃料所被喷射到其中的气体的燃烧来驱动涡轮进行旋转。
在涡轮的出口处，已驱动涡轮进行旋转、被称为废气的燃烧气体通过废气管被排放到外部。涡轮轴发动机的循环使得废气温度为大约600℃。包含在该废气流中的理论上的热能估计为包含在于涡轮入口处被喷射的燃料中的势能的60％。
因此，尝试回收该热能中的一部分以提高涡轮轴发动机的效率是有利的。为此，提出了使得能够回收部分热能的多个解决方案，特别是使用处于涡轮轴发动机的废气管中的热交换器。该被回收的热能例如被用于在被供应到涡轮轴发动机的气体进行燃烧之前对该气体进行预加热，或者用于对来自于次级机械的气体进行再加热，为涡轮发动机或活塞机械类型的该次级机械存在于航空器中。
然而，这些解决方案导致了众多缺点。这是因为在废气管中存在热交换器导致了压力损失，该压力损失影响涡轮的运行。该热交换器可能导致污垢，该污垢影响涡轮轴发动机的性能，并且该热交换器需要合适的清洗程序，而且在发生叶片损失和叶片脱落时还导致劣化。叶片脱落是针对涡轮轴发动机的自由涡轮超速的机械保护措施。
另外，使用这种热交换器需要对涡轮轴发动机进行调整，用以与该热交换器共同运行。在使用热交换器以对给气体涡轮供给燃料的气体进行预加热的环境中，存在热交换器要求与不具有热交换器的运行点不同的发动机运行点，这意味着如果热交换器未被使用则会严重影响发动机性能。这样的不使用热交换器如果是偶然性的(由于热交换器失效)，则可能另外导致热交换器劣化和发动机不运行。
最后，废气管中的热交换器的运行方面的限制(高于或等于600℃的高温、介于4到8巴之间的压力，等等)要求对热交换器进行合适的尺寸设置(这尤其导致了该热交换器的尺寸和重量增大)以及使用能够承受这些限制的材料。然而，适于承受限制的这些材料的热传导性能总体而言较差，这降低了效率和热交换器的有效性。
发明目的
本发明的目的在于克服用于从废气回收能量的已知的***的至少某些缺陷。
特别地，本发明目的还在于在本发明的至少一个实施例中提供一种能量回收***，该能量回收***不会导致影响涡轮轴发动机的运行的压力损失。
本发明目的还在于在至少一个实施例中提供一种能量回收***，该能量回收***的失效不会影响涡轮轴发动机的运行。
本发明目的还在于在本发明的至少一个实施例中提供一种能量回收***，该能量回收***可被安置就位在现有的涡轮轴发动机上。
本发明目的还在于在至少一个实施例中提供一种能量回收***，该能量回收***使得能够使用由具有更好的换热效率的材料制成的热交换器。
发明内容
为此，本发明涉及一种用于从来自于至少一个涡轮轴发动机的废气回收能量的***，该***包括：
-涡轮，该涡轮围绕回收轴被可旋转地安装，该涡轮适于排出废气的至少一部分，该废气的至少一部分被称为排放气体，并且该涡轮适于使所述排放气体膨胀以变成处于低于大气压力的压力的膨胀气体；
-第一热交换器，该第一热交换器适于使用冷源来使所述膨胀气体冷却，以变成冷却气体；
-压气机，该压气机围绕所述回收轴被可旋转地安装，该压气机适于将所述冷却气体压缩到大气压力；
-风扇，该风扇被构造为使冷源到达第一热交换器，风扇被回收轴驱动而进行旋转。
因此，根据本发明的***使得能够从来自于至少一个涡轮轴发动机的废气回收能量的至少一部分，这与现有技术不同，是以分支(offset)的方式来实施的。这是因为在这里，废气的一部分被排出，以在比现有技术更有利的条件下经由热交换器实施热交换，其中热交换器处于涡轮轴发动机的废气管中。使得能够排放废气的涡轮还使得能够减小废气的压力，并且因此使得能够降低废气的温度。因此，热交换器承受低压和低温，使得能够使用具有更好的换热效率的材料。同样地，在涡轮与压气机之间流通的气体的压力较低、低于大气压力的事实总体上限制了这些气体在能量回收***的部件上施加的内部压力。
优选地，能量回收***不排出所有废气，以主要通过去除高温气体来保持良好的效率水平，废气中被排出的那部分取决于涡轮轴发动机的使得能够排放废气的废气管的空气动力学。有利地，可在废气管的弯头部分中实施排放。这种弯头部分通常例如存在于被安装到直升机的涡轮轴发动机的废气管中。
从废气回收的能量源自于当废气穿过涡轮时产生的并且被传输到回收轴的机械能量与被回收轴消耗以驱动压气机进行旋转以对被第一热交换器冷却的废气进行压缩的能量之间的差。如果有必要，可从该回收的能量获取使冷源到达交换器所需的任何能量。因此，回收的能量可呈由回收轴传输的机械能量的形式而被使用。回收轴则例如通过中转箱(relay box)被连接到其它的轴，以给这些其它的轴提供额外的机械能量。能够使用回收轴处的回收能量的轴例如为涡轮轴发动机的第二涡轮的轴、涡轮轴发动机的气体发生器的轴、直升机的主传动箱的轴、被连接到直升机的尾旋翼的后部轴等等。回收轴处的该回收能量呈机械能量的形式，但之后可被转化为另一形式(电、气动等等)。
此外，废气的排出的部分不会导致涡轮轴发动机中的压力损失。与其中交换器处于涡轮轴发动机的废气管中的现有技术不同，通过涡轮排放废气不干扰涡轮轴发动机的正常运行并且因此限制了压力损失。另外，能量回收***的任何失效将不会影响涡轮轴发动机的运行，该涡轮轴发动机的所有废气将经由废气管被排放。此外，能量回收***可以以这种方式而适于现有的涡轮轴发动机，并且不需要对该能量回收***被安装在其上的涡轮轴发动机的运行点进行任何改变，并且因此不影响该涡轮轴发动机的性能。
有利地，根据本发明的***包括第二热交换器，该第二热交换器适于在膨胀气体进入到第一热交换器中之前对该膨胀气体实施初步冷却。
根据本发明的这个方面，第二热交换器使得在废气进入到第一热交换器中之前该废气的温度能够被降低，以使得能够额外地减小第一热交换器的温度限制，因此该第一热交换器能够被设计成凭借更高效的材料而能够具有高的换热性能以及能够具有减小的尺寸。有利地并且根据本发明，第一交换器使用的材料是铝，使得能够在良好的换热性能(热导率大约为150W/m/℃)与减小的重量(密度大约为2700kg/m3)之间进行良好的折中。
有利地，根据本发明的***包括外部进气口，该外部进气口适于在膨胀气体进入到第一热交换器中之前对该膨胀气体实施初步冷却。
根据本发明的这个方面，进气口使得膨胀气体能够与来自于外部的空气混合，以降低该膨胀气体的温度。下述事实有助于通过进气口喷射外部空气：膨胀气体处于低于外部空气的大气压力的压力。以这种方式被冷却的气体被输送到第一交换器。进气口可代替或补充之前所描述的第二交换器。
有利地，根据本发明的***包括将涡轮连接到多个废气管的多个管道，这多个管道用于排出源自于多个涡轮轴发动机的废气。
根据本发明的这个方面，单个能量回收***使得能够回收源自于多个涡轮轴发动机的废气的能量的一部分。
本发明还涉及一种涡轮轴发动机，该涡轮轴发动机安装有根据本发明的能量回收***。
根据本发明的涡轮轴发动机通过由能量回收***回收呈被包含在废气中的热的形式的势能的一部分而能够具有更好的整体运行效率。
有利地，根据本发明的涡轮轴发动机进一步包括气体发生器，该气体发生器被气体发生器轴驱动而进行旋转，并且回收轴被连接到气体发生器轴。
根据本发明的这个方面，由能量回收***回收的机械能量被使用在气体发生器轴处，因此提高了涡轮轴发动机的性能。在能量回收***发生失效时，气体发生器可正常地运行，仅有的结果是涡轮轴发动机的性能降低。
有利地，根据本发明的涡轮轴发动机进一步包括第二涡轮，该第二涡轮驱动第二涡轮轴进行旋转，并且回收轴被连接到第二涡轮轴。
根据本发明的这个方面，由能量回收***回收的机械能量被使用在第二涡轮轴处，例如用于驱动螺旋桨进行旋转，因此提高了涡轮轴发动机的性能。在能量回收***发生失效时，气体发生器可正常地运行，仅有的结果是涡轮轴发动机的性能降低。
本发明还涉及一种直升机，该直升机包括根据本发明的涡轮轴发动机。
有利地并且根据本发明，直升机进一步包括尾旋翼，该尾旋翼被后部轴驱动，并且回收轴被连接到所述后部轴。
本发明还涉及一种用于从涡轮轴发动机废气回收能量的方法，该方法包括：
-将废气的至少一部分排出的步骤；
-使在排出步骤被排出的废气膨胀的步骤；
-使在膨胀步骤被膨胀的废气冷却的步骤；
-对在冷却步骤被冷却的废气进行压缩的步骤。
有利地，根据本发明的能量回收方法通过根据本发明的能量回收***来实施。
有利地，根据本发明的能量回收***实施根据本发明的能量回收方法。
本发明还涉及一种能量回收***、一种能量回收方法、一种涡轮轴发动机和一种直升机，其特征在于，上文或下文所述的全部或部分特征的组合。
附图说明
通过阅读下文的完全以非限制性的方式给出并且参照附图的说明，本发明的其它目的、特征和优点将变得显而易见，在附图中：
-图1为安装有根据本发明的实施例的能量回收***的涡轮轴发动机的图解视图；
-图2为根据本发明的第一实施例的能量回收***的图解视图；
-图3为根据本发明的第二实施例的能量回收***的图解视图；
-图4为根据本发明的实施例的能量回收方法的图解表示；
-图5为包括根据本发明的实施例的涡轮轴发动机的直升机的图解视图。
具体实施方式
以下的实施例为示例。虽然说明书提到一个或多个实施例，但这不一定意味着每次参照均涉及同一实施例，或特征仅适于单个实施例。不同实施例的单个特征还可被组合，以提供其它的实施例。
图1为安装有根据本发明的实施例的能量回收***12的涡轮轴发动机10的图解表示。
能量回收***12适于回收涡轮轴发动机10的废气的至少一部分14以回收源自于废气16的热能的一部分。这些废气16由下述气体18形成：该气体经由入口管道进入涡轮轴发动机10，之后与燃料混合并且在涡轮轴发动机10中燃烧，以在涡轮轴发动机10的出口处驱动第二涡轮20进行旋转。燃烧气体的大部分动能被进行旋转的第二涡轮20回收，剩余的动能使得废气16能够在该第二涡轮20的出口处被排放。废气16经由废气管22被排放，使得能够在航空器中使用涡轮轴发动机10的环境中将废气16排放到外面、排放到航空器外部。
能量回收***12使得能够例如通过被连接到涡轮轴发动机10的废气管22的排放管道24排出由箭头14代表的这些废气的一部分。排出废气的这部分14是凭借涡轮来实施的，该涡轮使得被排出的废气能够膨胀，使得废气的在废气管中的这部分14能够被经由排放管道24吸出。根据本发明的另一实施例，能量回收***12包括被连接到多个废气管的多个排放管道，以排出源自于多个涡轮轴发动机的废气的一部分。
能量回收***12还包括用于使外部空气28进入的管道26，使得通过涡轮被排出的气体能够通过存在于能量回收***12中的热交换器而被冷却。一旦从废气的部分14回收了能量，则出口气体30通过排放管道32被排放。在外部空气28进入到热交换器中之后，该排放管道32还可被用于排放该外部空气。
图2为根据第一实施例的能量回收***12的图解表示。在该第一实施例中，涡轮34、压气机36和风扇38被连接到回收轴40。涡轮34排出来自于废气管10的废气的一部分14，并且使得这些废气能够膨胀并且因此使得其温度能够降低，因此形成了由箭头42代表的膨胀气体。由通过涡轮34进行膨胀得到的膨胀气体42的压力小于大气压力。膨胀气体42穿过第一热交换器44，以使得该膨胀气体能够冷却，因此形成了由箭头46代表的冷却气体。在第一热交换器44处凭借冷源45对膨胀气体42实施冷却，在这里通过被回收轴40驱动而进行旋转并且使得能够添加外部空气28的风扇38来使该冷源到达第一热交换器44。
被第一热交换器44冷却的气体46被输送到压气机36，该压气机被连接到回收轴40。压气机压缩冷却气体46，以得到处于大致等于大气压力的压力的气体，该气体被称为出口气体30，如之前参照图1所示，该出口气体例如通过排放管道32被排放。在冷源45进入到第一热交换器44中之后，排放管道还使得能够排出该冷源。通过箭头48来代表对冷源45和出口气体30的排放。
由能量回收***12回收的能量可呈由回收轴40传输的机械能量的形式而被使用。该被回收的机械能量源自于由于涡轮34因废气的部分14通过而发生的旋转因此而到达回收轴40的机械能量与源自于回收轴40并且被压气机36消耗以将冷却气体46压缩到大致等于大气压力的压力的机械能量之间的差。膨胀气体被第一热交换器44冷却使得能够降低膨胀气体的温度，并且因此能够减少压气机36将冷却气体压缩到大气压力所需的能量。因此，所回收的能量的量取决于第一热交换器44进行的冷却的效率。而且必须从回收的能量获取由风扇38消耗的能量。于是，回收的能量在回收轴40处例如可通过中转箱被传输到航空器的其它的轴或被转化为另一形式的能量。
在某些情况下，膨胀气体42的温度在涡轮的出口处仍然较高，并且在该膨胀气体进入到第一热交换器44中时仍然较高。结果，虽然这些高温度低于在涡轮轴发动机10的废气管22中所经受的温度，但第一热交换器44的尺寸和材料必须与这些高温度相容。
为了使得能够使用更高效的第一热交换器44，一个解决方案是预先降低膨胀气体42的温度。为此，能量回收***12包括第二热交换器50，如参照图3所示，该第二热交换器使得膨胀气体42在进入到第一热交换器40中之前能够被冷却。在图3中，相对于在图2中示出的实施例未改变的元件带有相同的附图标记。使用第二冷源52来实施第二热交换器50中的初步冷却，该第二冷源例如由离开压气机的出口气体30和进入到第一热交换器44中之后的冷源45构成。因此，凭借通过第二热交换器50进行的该初步冷却，进入第一热交换器的气体53的温度较低。因此，第一热交换器44可由下述材料制成：该材料具有更合适的温度极限并且使得能够进行更高效的冷却和/或具有更小的尺寸和更低的重量。
例如，诸如钢之类的耐高温的材料具有大约为15W/m/℃的热导率和大约为7800kg/m3的密度。因此，第二热交换器50例如可由钢制成。铝具有更低的耐高温性，但是具有大约为150W/m/℃的更高的热导率和大约为2700kg/m3的密度。因此，为了减小重量，第一热交换器44例如可由铝制成，使得能够对穿过它的气体53进行更高效的冷却。
取决于温度和尺寸方面的限制和期望的性能，可将其它类型的金属或金属合金用于制造第一热交换器44和第二热交换器50，该限制可根据涡轮轴发动机而改变，废气的至少一部分从该涡轮轴发动机被排出，并且根据实施例，该涡轮轴发动机具有一个或两个交换器。优选地，对于航空器中的应用场合，热交换器和/或在这些热交换器中使用的材料已被测试。例如，能量回收***可使用在航空器舱室空调***中使用的类型的热交换器，对于航空用途，该热交换器已被测试。
在该实施例中，还通过使用进气口51来实施在进入到第一热交换器44中之前的初步冷却，该进气口使得能够将外部空气喷射到进入第一热交换器44的气体中。因此，气体与外部空气的混合使得能够降低温度。此外，下述事实有助于喷射外部空气：存在于能量回收***12中的气体处于低于大气压力的压力。
取决于实施例，能量回收***12可仅包括第一热交换器44、或第一热交换器44与第二热交换器50、或该第一热交换器与进气口51、或该第一热交换器与第二热交换器50和进气口51的组合。
图4为根据本发明的实施例的用于能量回收的方法54的图解表示。能量回收方法54包括排出废气的至少一部分的步骤55，该废气的至少一部分被称为排放气体，如参照图1所描述的，该排放气体源自于涡轮轴发动机。之后在使排放气体膨胀的步骤56中，排放气体例如通过如之前所描述的能量回收***12中的涡轮34而被膨胀。该膨胀步骤56使得能够形成膨胀气体，由于压力减小，该膨胀气体的温度低于排放气体的温度。之后在冷却步骤58期间，膨胀气体被冷却，以形成冷却气体。之后在压缩步骤60期间，这些冷却气体被压缩。
以这种方式执行的能量回收方法54遵循热力循环，该热力循环为压力降低的反向布雷顿循环。通过该循环回收的机械能量源自于包含在被排出的废气中的热能。
图5为包括根据本发明的实施例的涡轮轴发动机10的直升机61的图解表示。涡轮轴发动机安装有根据本发明的实施例的能量回收***12。在该实施例中，能量回收***12被连接到直升机61的后部轴62。该后部轴62使得能够使直升机61的尾旋翼64进行旋转，使得能够尤其通过补偿由主马达66施加的扭矩而使直升机稳定，该主马达被涡轮轴发动机10经由主传动箱驱动。因此，被能量回收***12回收的机械能量通过回收轴40被传输到直升机61的后部轴62。
起动能量回收***12需要回收轴40被连接到涡轮34以及通过增加外部能量源例如通过直升机的后部轴62使压气机36预先进行旋转。因此，在起动期间能量回收***12为能量接收器。一旦到达了运行点，则能量回收***12到达均衡状态，在该均衡状态下，凭借排出废气的至少一部分(使得能够回收机械能量)，该能量回收***变为原动性的。
本发明不是仅限于所描述的实施例。特别地，在交换器或多个交换器处使用的冷源可采用不同的形式，例如经由电风扇或经由泵供应的空气等等。另外，可例如在直升机的主传动箱处或者通过转化为气动能量、电能等等而以不同的形式再次使用***所产生的机械能量。此外，能量回收***可包括多于两个交换器。

Claims (6)

1.涡轮轴发动机，所述涡轮轴发动机安装有用于从来自于所述涡轮轴发动机(10)的废气(16)回收能量的***，所述用于回收能量的***包括：
-涡轮(34)，所述涡轮围绕回收轴(40)被可旋转地安装，所述涡轮适于排出所述废气的至少一部分(14)，所述废气被称为排放气体，并且所述涡轮适于使所述排放气体膨胀以变成处于低于大气压力的压力的膨胀气体(42)；
-第一热交换器(44)，所述第一热交换器适于使用冷源(45)来使所述膨胀气体(42)冷却，以变成冷却气体(46)；
-压气机(36)，所述压气机围绕所述回收轴(40)被可旋转地安装，所述压气机适于将所述冷却气体(46)压缩到大气压力；
-风扇(38)，所述风扇被构造为使所述冷源(45)到达所述第一热交换器(44)，所述风扇(38)被所述回收轴(40)驱动而进行旋转；
所述涡轮轴发动机进一步包括第二涡轮(20)，所述第二涡轮驱动第二涡轮轴进行旋转，其特征在于，所述回收轴(40)被连接到所述第二涡轮轴。
2.根据权利要求1所述的涡轮轴发动机，其特征在于，所述用于回收能量的***包括第二热交换器(50)，所述第二热交换器适于在所述膨胀气体(42)进入到所述第一热交换器(44)中之前对所述膨胀气体实施初步冷却。
3.根据权利要求1所述的涡轮轴发动机，其特征在于，所述用于回收能量的***包括进气口(51)，所述进气口适于在所述膨胀气体(42)进入到所述第一热交换器(44)中之前对所述膨胀气体实施初步冷却。
4.根据权利要求1所述的涡轮轴发动机，其特征在于，所述用于回收能量的***包括将所述涡轮(34)连接到多个废气管(22)的多个管道(24)，用以排出源自于多个涡轮轴发动机(10)的废气(16)。
5.直升机，所述直升机包括根据权利要求1所述的涡轮轴发动机(10)。
6.根据权利要求5所述的直升机，所述直升机进一步包括尾旋翼(64)，所述尾旋翼被后部轴(62)驱动，其特征在于，所述回收轴(40)被连接到所述后部轴(62)。
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