RU225372U1 - Рекуператор для газотурбинного двигателя - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к теплотехнике и может быть использована в технике для подогрева жидких или газообразных сред, например в качестве рекуператора для газотурбинного двигателя. Технический результат - повышение эффективности теплообмена между охлаждаемой и охладительной текучими средами. Рекуператор для газотурбинного двигателя состоит из кольцевых областей входа и выхода воздуха и кольцевых областей входа и выхода отходящего газа из турбины, пространство между которыми заполнено трубками, при этом содержит 48 пар П-образных трубок с возможностью поступления воздуха из области входа в один конец пары трубок и отхода воздуха из области выхода из другого конца пары трубок, расположенных по спирали с шагом отставания 7,5° друг от друга, при этом пространство между кольцевыми областями входа и выхода отходящего из турбины газа разделено выпрямляющими стенками, снабженными стойками крепления в радиальном и тангенциальном направлениях. 4 ил.

Description

Полезная модель относится к теплотехнике и может быть использована в технике для подогрева жидких или газообразных сред, например в качестве рекуператора для газотурбинного двигателя.

Наиболее предпочтительно применение полезной модели в составе газотурбинных двигателей, в частности турбовальных, которые работают в режиме постоянной мощности или частоты вращения, например, на судах, железнодорожном транспорте, электростанциях и т. д.

Рекуператор - это теплообменное устройство, которое позволяет повысить эффективность и экономичность газотурбинных двигателей за счет подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания, теплотой отходящих газов, выходящих из турбины. Рекуператор позволяет уменьшить расход топлива и увеличить мощность двигателя, при этом газы, отходящие из турбины, являются более холодными и с более низкой скоростью по сравнению с традиционными газотурбинными двигателями, поэтому шум и тепловой «след» значительно ниже.

Принцип работы рекуператора газотурбинного двигателя заключается в том, что отходящие газы, имеющие высокую температуру, проходят через теплообменную поверхность, на которой отдают часть своей теплоты воздуху, циркулирующему в противоток или параллельно потоку газов. Таким образом, выходящий из компрессора воздух нагревается до более высокой температуры, чем он имел бы без рекуператора, и входит в камеру сгорания, где смешивается с топливом и горит. Горячие газы, образовавшиеся при сгорании, расширяются в турбине, приводя ее во вращение, и затем выходят из двигателя через рекуператор.

Существующие конструкции рекуператоров имеют ряд недостатков, таких как большой вес, габариты, сложность, высокая стоимость, низкая эффективность, недостаточная надежность, склонность к загрязнению и коррозии, высокие тепловые напряжения и т. д.

Известно устройство, которое описывает пластинчатый теплообменник, который может использоваться как рекуператор. Пластинчатый теплообменник содержит цилиндрический кожух, в котором размещены теплообменные элементы, выполненные из попарно соединенных по периферийным кромкам гофрированных пластин. Теплообменные элементы имеют внутренние каналы для прохождения теплоносителей. Гофрированные пластины соединяются между собой по периферийным кромкам. В патенте присутствует утверждение, что такой пластинчатый теплообменник имеет высокую теплопередачу, низкое гидравлическое сопротивление и простоту изготовления [патент RU 2755013 C1, F28D 9/02, F28F 9/007, F28F 9/22, опубл. 2021.09.09].

Недостатком данного устройства можно считать необходимость использования качественного теплоносителя, который не содержит абразивных, коррозионных или загрязняющих веществ. В противном случае пластины могут быстро засоряться, что снижает эффективность теплообмена и увеличивает гидравлическое сопротивление. Помимо этого, существует ограниченность диапазона давления и температуры, которые могут выдерживать пластинчатые теплообменники. На нерасчетных режимах при высоких давлениях и температурах пластины могут деформироваться, трескаться или разрушаться.

Также известно устройство, которое описывает рекуператор для газотурбинного двигателя и способ его изготовления. Рекуператор содержит монолитный теплообменный блок, имеющий две стороны: первая - для прохода сжатого нагреваемого воздуха из компрессора, вторая - для прохода горячих отходящих газов из турбины. Первая и вторая стороны содержат множество каналов ограниченные разделительными пластинами, которые радиально выходят наружу по спиральной схеме, поддерживая постоянное расстояние между соседними пластинами. В патенте присутствует утверждение, что такой рекуператор имеет высокую эффективность теплообмена, низкое гидравлическое сопротивление и простоту конструкции [патент WO 2019118129 A1, F02C 7/141, F28D 21/00, F28D 7/00, F28F 9/02, опубл. 2019.06.20].

Недостатком данного устройства является трудность технического обслуживания и очистки рекуператора, который является неразъемным. Для этого необходимо разбирать газотурбинный двигатель и проводить продувку теплообменного блока, что может повредить его или уплотнительные прокладки, из чего следует, что при данной конструкции также необходимого использовать теплоноситель повышенного качества.

Известно устройство рекуператора для газотурбинного двигателя, которое уменьшает вихревое движение отходящих газов из турбины. Рекуператор содержит каналы для движения в них отходящих газов из турбины, при этом вход в них ориентирован таким образом, чтобы создавать вихревое движение в направлении, противоположном направлению вращения турбины. Рекуператор также содержит каналы для движения в них сжатого воздуха, при этом вход ориентирован таким образом, чтобы создавать вихревое движение в направлении, совпадающем с направлением вращения турбины. Оба типа каналов разделены теплообменными стенками, которые имеют спиральную форму и расположены внутри цилиндрического корпуса. В патенте присутствует утверждение, что такой рекуператор имеет повышенную эффективность теплообмена, уменьшенное гидравлическое сопротивление и упрощенную конструкцию [патент CA 2768905 A1, F02C 7/10, F28D 9/00, F28F 3/02, опубл. 2012.08.28].

Недостаток устройства заключаются в том, что оно может иметь высокую сложность и точность изготовления теплообменных стенок, которые имеют спиральную форму и требуют высокоточной обработки и сварки, из-за чего вырастает стоимость изготовления.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство турбовального двигателя и рекуператора для такого двигателя. Турбовальный двигатель включает в себя компрессор, выделяющий сжатый воздух в рекуператор через кольцевое соединение, кольцевую камеру сгорания, получающую газы из рекуператора, турбину, из которой происходит отвод отходящих газов. Рекуператор имеет кольцевую форму, состоящую из двух коаксиальных кольцевых пучков. Кольцевые пучки рекуператора со стороны сжатого воздуха заполнены множеством микротрубочек, которые служат для циркуляции через них нагреваемого воздуха, а с другой стороны стенок рекуператора пространство служит для циркуляции горячих газов из турбины. Таким образом, рекуператор обеспечивает эффективный теплообмен между сжатым воздухом и горячими газами, повышая энергетическую эффективность двигателя [патент US 2019277199 A1, F02C 3/06, F02C 7/141, F02C 7/224, F02C 7/32, F28D 7/16, F28F 9/26, опубл. 2019.09.12].

Недостатком прототипа является чрезмерное загромождение проточной части в области отходящих газов, что может сказаться на надежности работы двигателя.

Задачей полезной модели является разработка конструкции рекуператора для газотурбинного двигателя, которая обеспечит улучшенные значения аэротермических характеристик при эквивалентных габаритах.

Технический результат - повышение эффективности теплообмена между охлаждаемой и охладительной текучими средами.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что рекуператор для газотурбинного двигателя, состоящий из кольцевых областей входа и выхода воздуха и кольцевых областей входа и выхода отходящего газа из турбины, пространство между которыми заполнено трубками, согласно полезной модели содержит 48 пар П-образных трубок с возможностью поступления воздуха из области входа в один конец пары трубок и отхода воздуха из области выхода из другого конца пары трубок, расположенных по спирали с шагом отставания 7,5 градусов друг от друга, при этом пространство между кольцевыми областями входа и выхода отходящего из турбины газа разделено выпрямляющими стенками, снабженными стойками крепления в радиальном и тангенциальном направлениях.

Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами.

На фиг. 1 показан меридиональный разрез устройства.

На фиг. 2 показан изометрический вид устройства с меридиональным разрезом.

На фиг. 3а изображен вид спереди, на фиг. 3б - вид сзади и 3в - вид сбоку всех пар П-образных трубок устройства.

На фиг. 4а показан изометрический вид, на фиг. 4б - вид сбоку и на фиг. 4в - вид спереди одной радиально расположенной пары П-образных трубок устройства.

Рекуператор для газотурбинного двигателя содержит кольцевую область входа воздуха 1, П-образные трубки 2, кольцевую область выхода воздуха 3, кольцевую область входа отходящих газов из турбины 4, выпрямляющие стенки 5, стойки крепления в радиальном направлении 6, стойки крепления в тангенциальном направлении 7, кольцевую область выхода отходящего газа из турбины 8.

Работа рекуператора для газотурбинного двигателя осуществляется следующим образом.

Предварительно сжатый в компрессоре воздух поступает в кольцевую область входа воздуха 1, с изменяемой продольной площадью по конусу. Затем воздух распределяется в 48 пар П-образных трубок 2, размещенных с шагом отставания 7,5° друг от друга, чтобы образовывать равномерно заполненное кольцо, при этом трубки выполнены по спирали. При этом происходит интенсивный теплообмен через стенки П-образных трубок между сжатым воздухом из компрессора и расширенным отходящим газом из турбины, которые протекают в перекрестном направлении относительно друг друга.

Воздух, проходя через П-образные трубки 2, нагревается, т. к. стенки трубок снаружи подвержены обдуву отходящим газом из турбины, выходящим из кольцевой области входа отходящего газа из турбины 4. Нагретый воздух выходит из П-образных трубок 2 в кольцевую область выхода воздуха 3 и далее поступает в камеру сгорания. Отходящий газ из турбины проходит через выпрямляющие стенки 5, которые способствуют его равномерному распределению в проточной части без образования сильных вихрей и срывных зон, что обеспечивает низкие гидравлические потери и улучшенный теплообмен. Помимо этого, выпрямляющие стенки 5 снабжены стойками крепления в радиальном 6 и тангенциальном 7 направлениях, которые укрепляют конструкцию и придают ей жесткость. При прохождении отходящим газом из турбины секции пространства между трубок совершается интенсивный теплообмен, после которого газ поступает в кольцевую область выхода отходящего газа из турбины 8.

Таким образом, применение рекуператора для газотурбинного двигателя позволяет обеспечить высокий коэффициент теплоотдачи за счет увеличения площади теплообмена между воздухом, проходящим в П-образных трубках, и отходящим газом из турбины, а также за счет выпрямляющих стенок, которые способствуют равномерному распределению отходящего газа из турбины в проточной части без образования сильных вихрей и срывных зон. Кроме того, данная конструкция позволяет не устанавливать дополнительный ряд спрямляющих аппаратов после компрессора, т. к. геометрия трубок учитывает предварительную закрутку, согласованную с направлением потока, что в свою очередь позволяет уменьшить диаметральные габариты и снизить массу. Помимо этого, проведенное численное моделирование газодинамики с учетом теплопроводности показало, что применение данной конструкции рекуператора для газотурбинного двигателя позволяет повысить среднюю температуру в кольцевой области выхода воздуха на ~150 К.

Claims (1)

1. Рекуператор для газотурбинного двигателя, состоящий из кольцевых областей входа и выхода воздуха и кольцевых областей входа и выхода отходящего газа из турбины, пространство между которыми заполнено трубками, отличающийся тем, что содержит 48 пар П-образных трубок с возможностью поступления воздуха из области входа в один конец пары трубок и отхода воздуха из области выхода из другого конца пары трубок, расположенных по спирали с шагом отставания 7,5° друг от друга, при этом пространство между кольцевыми областями входа и выхода отходящего из турбины газа разделено выпрямляющими стенками, снабженными стойками крепления в радиальном и тангенциальном направлениях.