RU2563079C1

RU2563079C1 - Low-sized gas turbine engine with heat recovery

Info

Publication number: RU2563079C1
Application number: RU2014120770/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Семенович Ломазов; Александр Николаевич Князев; Максим Алексеевич Данилов; Татьяна Валерьевна Попова; Кирилл Ильич Шмагин; Иван Витальевич Осипов; Вячеслав Владимирович Тимофеев
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2014-05-23
Publication date: 2015-09-20

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: claimed engine comprises compressor with inlet device, gas-air recuperative heat exchanger, combustion chamber, compressor drive turbine and free turbine for driving the output consuming hardware arranged in one housing with gas collector. Heat exchanger is located downstream of the turbine and connected by air inlet with compressor outlet via air chamber and, by outlets, with inlets of combustion chamber fire tubes. Besides, it is connected by gas channels inlets with free turbine outlet and, by outputs, with engine gas collector. Combustion chamber is a tubular-circular design while heat exchanger is composed by modules. Combustion chamber fire tubes and heat exchanger modules are integrated into a single assy. Note here that heat exchanger modules and combustion chamber fire tubes are uniformly arranged in circle. Fire tubes are located between heat exchanger modules. Heat exchanger module air outlets are hydraulically communicated with combustion chamber fire tubes inlets via circular air manifold. Fire tubes inlets are connected to compressor drive turbine via individual gas ducts. Free turbine shaft is connected to output consuming hardware via reduction gearbox with output shaft.

EFFECT: higher efficiency, decreased overall dimensions and weight.

3 dwg

Description

Изобретение может быть использовано в двигателях вертолетов и самолетов с большой продолжительностью полета, легких беспилотных летательных аппаратов, наземных транспортных средств, вспомогательных силовых установок (ВСУ) и в качестве мобильных энергетических установок.The invention can be used in engines of helicopters and aircraft with a long flight duration, light unmanned aerial vehicles, ground vehicles, auxiliary power units (APU) and as mobile power plants.

Интерес к улучшению экономичности сохраняется на протяжении всего периода развития газотурбинных двигателей (ГТД).Interest in improving efficiency remains throughout the entire period of development of gas turbine engines (GTE).

Регенерация тепла выхлопных газов посредством установки в двигателе теплообменника является эффективным средством улучшения экономичности ГТД. Трудности реализации этого технического решения связаны с усложнением конструкции, увеличением габаритов и массы двигателя из-за установки теплообменника (особенно в авиационных малоразмерных газотурбинных двигателях).The heat recovery of exhaust gases by installing a heat exchanger in the engine is an effective means of improving the efficiency of a gas turbine engine. Difficulties in the implementation of this technical solution are associated with the complexity of the design, the increase in size and mass of the engine due to the installation of a heat exchanger (especially in aviation small-sized gas turbine engines).

Развитие ГТД в рамках традиционной схемы путем повышения параметров цикла (степени повышения полного давления компрессора $π_{к}^{*}$

и температуры торможения газа

Т_{г}^{*}

), применительно к малоразмерным ГТД (МГТД) приводит к уменьшению проточной части двигателя и уменьшению лопаточных венцов ротора. Вследствие этого увеличиваются относительные зазоры и растут утечки воздуха и гидравлические потери, что ведет к снижению кпд компрессора, турбин и двигателя в целом. Использование регенерации тепла выхлопных газов в таких двигателях оказывает такое же влияние на экономичность двигателя, как и повышение параметров цикла (

π_{к}^{*}

и

Т_{г}^{*}

), однако кпд узлов не уменьшаются (в отдельных случаях даже увеличиваются), а эффективный кпд двигателя также увеличивается.The development of gas turbine engines in the framework of the traditional scheme by increasing the parameters of the cycle (the degree of increase in the total pressure of the compressor

π_{to}^{*}

and gas braking temperatures

T_{g}^{*}

), in relation to small-sized gas turbine engines (MGTD), it leads to a decrease in the flow part of the engine and a decrease in the blade crowns of the rotor. As a result, relative gaps increase and air leakages and hydraulic losses increase, which leads to a decrease in the efficiency of the compressor, turbines and the engine as a whole. The use of heat recovery of exhaust gases in such engines has the same effect on engine efficiency as increasing cycle parameters (

π_{to}^{*}

and

T_{g}^{*}

), however, the efficiency of the nodes does not decrease (in some cases, even increase), and the effective efficiency of the engine also increases.

Предшествующие конструкции теплообменников - большие и тяжелые, поэтому они мало подходили для использования на летательных аппаратах (ЛА). Двигатели для ЛА должны иметь минимальный наружный диаметр и вес, что улучшает их аэродинамическое качество.The previous designs of heat exchangers are large and heavy, so they were not suitable for use on aircraft (LA). Engines for aircraft should have a minimum outer diameter and weight, which improves their aerodynamic quality.

Имеется ряд патентов-аналогов, в которых использованы разные схемы компоновки теплообменников в двигателе, например:There are a number of patents-analogues, in which different layout schemes of heat exchangers in the engine are used, for example:

- заявка США №2011/0146226 используется применительно к ГТД с выносным теплообменником. Теплообменник является самостоятельным узлом и располагается в отдельном газовоздушном тракте. Такая схема обеспечивает хорошие теплофизические показатели и не требует большой переделки серийного ГТД. Однако компоновка применима только для наземного использования, так как значительно увеличиваются массовые и габаритные параметры двигателя;- US application No. 2011/0146226 is used in relation to a gas turbine engine with an external heat exchanger. The heat exchanger is an independent unit and is located in a separate gas-air duct. This scheme provides good thermal performance and does not require a large alteration of serial gas turbine engines. However, the layout is applicable only for ground use, since the mass and overall parameters of the engine significantly increase;

- заявка США №2009/0282804 (Honeywell International Inc.) используется применительно к турбовальному ГТД. Традиционный для фирмы Honeywell МГТД с трубчатой камерой сгорания (КС) и обратным током газа после КС. Кольцевой теплообменник является самостоятельным узлом и опоясывает камеру сгорания и турбины. Однако система подвода и отвода теплоносителей сложна. Имеются дополнительные потери давления в подводящих и отводящих патрубках. Увеличены наружный диаметр и масса двигателя;- US application No. 2009/0282804 (Honeywell International Inc.) is used in relation to turbo turbine engines. The MGTD, traditional for Honeywell, has a tubular combustion chamber (KS) and a reverse gas flow after the KS. The ring heat exchanger is an independent unit and encircles the combustion chamber and turbine. However, the system of supply and removal of coolants is complicated. There are additional pressure losses in the inlet and outlet pipes. Increased outer diameter and mass of the engine;

- патент США №7,961,510 используется применительно к вспомогательной газотурбинной установке (ВСУ). Здесь использован многоходовой трубчатый теплообменник и обеспечивается высокая степень регенерации тепла выхлопных газов. Однако теплообменник соизмерим с базовым двигателем без теплообменника. С теплообменником габаритные размеры и масса двигателя увеличиваются почти вдвое. Система подвода и отвода теплоносителей сложна.- US patent No. 7,961,510 is used in relation to the auxiliary gas turbine installation (APU). It uses a multi-way tubular heat exchanger and provides a high degree of heat recovery of the exhaust gases. However, the heat exchanger is comparable to the base engine without a heat exchanger. With a heat exchanger, the overall dimensions and weight of the engine are almost doubled. The system of supply and removal of coolants is complex.

Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение, является газотурбинный двигатель с системой рекуперации тепла (заявка США №2013/0255268 А1). Двигатель содержит компрессор с входным устройством, рекуперативный теплообменник с воздушным и газовым контурами, камеру сгорания, турбину привода компрессора и свободную турбину, расположенные в едином корпусе. Теплообменник установлен после турбин, соединен входом воздушного контура с выходом компрессора, а выходом - с входом камеры сгорания. Теплообменник соединен входом газового контура с выходом свободной турбины, а выходом - с газосборником двигателя. Данная компоновка двигателя способна обеспечить хорошую степень регенерации тепла выхлопных газов и надежную работу теплообменника. Однако при этом значительно увеличиваются габаритные размеры (наружный диаметр, длина) и масса двигателя.The closest analogue of the same purpose as the claimed technical solution is a gas turbine engine with a heat recovery system (US application No. 2013/0255268 A1). The engine contains a compressor with an input device, a recuperative heat exchanger with air and gas circuits, a combustion chamber, a compressor drive turbine and a free turbine located in a single housing. The heat exchanger is installed after the turbines, connected by the air circuit inlet to the compressor outlet, and by the outlet to the combustion chamber inlet. The heat exchanger is connected by the inlet of the gas circuit to the output of a free turbine, and the output is connected to the engine gas collector. This engine layout is able to provide a good degree of heat recovery of exhaust gases and reliable operation of the heat exchanger. However, this significantly increases the overall dimensions (outer diameter, length) and engine weight.

В основу изобретения положено решение следующих задач:The invention is based on the following tasks:

- уменьшение габаритных размеров и массы МГТД с теплообменником;- reduction of the overall dimensions and mass of MGTD with a heat exchanger;

- повышение экономичности МГТД.- increase the efficiency of MGTD.

Поставленные задачи решаются тем, что малоразмерный газотурбинный двигатель с регенерацией тепла содержит газотурбинный блок, включающий в себя компрессор с радиальным входным устройством, газовоздушный рекуперативный теплообменник, камеру сгорания, турбину привода компрессора и свободную турбину с валом привода потребителя эффективной мощности. Причем теплообменник установлен после свободной турбины, соединен входом воздуха с выходом компрессора через воздушную полость, а выходом - с входом камеры сгорания и соединен входом газа с выходом свободной турбины, а выходом - с газосборником.The tasks are solved in that the small-sized gas-turbine engine with heat recovery contains a gas-turbine unit including a compressor with a radial inlet device, a gas-air recuperative heat exchanger, a combustion chamber, a compressor drive turbine and a free turbine with an effective power consumer drive shaft. Moreover, the heat exchanger is installed after the free turbine, it is connected by the air inlet to the compressor outlet through the air cavity, and the output is connected to the combustion chamber inlet and connected to the gas inlet to the free turbine outlet, and to the gas collector by the outlet.

Новым в изобретении является то, что камера сгорания выполнена трубчато-кольцевой, а теплообменник - из отдельных модулей. Жаровые трубы камеры сгорания и модули теплообменника интегрированы в единый узел. При этом модули теплообменника и жаровые трубы камеры сгорания равномерно расположены по окружности. Причем жаровые трубы камеры сгорания размещены между модулями теплообменника. Выходы воздуха модулей теплообменника гидравлически соединены с входами жаровых труб камеры сгорания через кольцевой воздушный коллектор. Выходы жаровых труб камеры сгорания гидравлически соединены с турбиной привода компрессора через индивидуальные газоходы. Кроме того, вал свободной турбины соединен с потребителем эффективной мощности через редуктор с выводным валом.New in the invention is that the combustion chamber is made tubular and annular, and the heat exchanger is made up of separate modules. Combustion tubes and heat exchanger modules are integrated into a single unit. In this case, the heat exchanger modules and the combustion chamber flame tubes are evenly spaced around the circumference. Moreover, the flame tubes of the combustion chamber are located between the heat exchanger modules. The air outputs of the heat exchanger modules are hydraulically connected to the inlet of the combustion tube combustion tubes through an annular air collector. The outputs of the flame tubes of the combustion chamber are hydraulically connected to the compressor drive turbine through individual flues. In addition, the shaft of the free turbine is connected to the consumer of effective power through a gearbox with an output shaft.

Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленных задач, так как:These essential features provide a solution to the tasks, as:

- трубчато-кольцевая камера сгорания МГТД по сравнению с кольцевой камерой позволяет обеспечить компактное размещение модулей теплообменника и индивидуальных жаровых труб в едином узле двигателя. Это уменьшает габаритные размеры и массу МГТД;- the MGTD tubular-annular combustion chamber as compared with the annular chamber allows for compact placement of heat exchanger modules and individual flame tubes in a single engine assembly. This reduces the overall dimensions and weight of MGTD;

- применение в двигателе теплообменника, который обеспечивает непрерывный подогрев сжатого воздуха из компрессора горячими газами свободной турбины, который затем подается в камеру сгорания, обеспечивая существенное повышение экономичности МГТД;- the use of a heat exchanger in the engine, which provides continuous heating of the compressed air from the compressor with the hot gases of a free turbine, which is then fed into the combustion chamber, providing a significant increase in the efficiency of the turbine engine;

- формирование жаровых труб камеры сгорания и модулей теплообменника в интегральный узел, ограниченный на входе и выходе кольцевыми стойками и заключенный в единый корпус, где модули теплообменника и жаровые трубы равномерно расположены по окружности, причем жаровые трубы размещены между модулями теплообменника, обеспечивает дополнительный подогрев воздуха в теплообменнике (кроме подогрева воздуха горячими газами из-за свободной турбины), а кольцевые стойки включены в силовую схему двигателя, что обеспечивает хорошую механическую прочность и повышает экономичность МГТД;- the formation of the flame tubes of the combustion chamber and the heat exchanger modules into an integrated unit, limited by ring racks at the inlet and outlet and enclosed in a single housing, where the heat exchanger modules and heat pipes are evenly spaced around, and the heat pipes are placed between the heat exchanger modules, provides additional air heating heat exchanger (except for heating air with hot gases due to a free turbine), and ring racks are included in the engine power circuit, which provides good mechanical chnost and increases efficiency MGTD;

- соединение выходов воздушных полостей модулей теплообменника гидравлически с входами жаровых труб камеры сгорания через кольцевой воздушный коллектор и подключение выходов жаровых труб к турбине привода компрессора через индивидуальные газоходы обеспечивает малые потери полного давления и, дополнительно, повышает экономичность МГТД.- the connection of the exits of the air cavities of the heat exchanger modules hydraulically with the entrances of the flame tubes of the combustion chamber through an annular air manifold and the connection of the outputs of the flame tubes to the compressor drive turbine through individual gas ducts ensures low total pressure losses and, in addition, increases the cost of the gas turbine engine.

Таким образом, реализация предложенных технических решений позволяет решить поставленные в изобретении задачи для МГТД с регенерацией тепла, а также создать модельный ряд высокоэффективных МГТД различной размерности и назначения.Thus, the implementation of the proposed technical solutions allows us to solve the problems posed in the invention for MHTD with heat recovery, as well as to create a model range of highly efficient MHTD of various dimensions and purposes.

Предложенный МГТД с регенерацией тепла выхлопных газов позволяет:The proposed MGTD with heat recovery of exhaust gases allows:

- повысить экономичность МГТД на 25-30% по сравнению с двигателем без теплообменника;- increase the efficiency of MGTD by 25-30% compared with an engine without a heat exchanger;

- обеспечить компактность конструкции МГТД и минимальное увеличение габаритных размеров по сравнению с двигателями-аналогами, имеющими теплообменники.- to ensure the compactness of the MGTD design and a minimum increase in overall dimensions in comparison with similar engines with heat exchangers.

Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием МГТД с регенерацией тепла и его работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг. 1-3, где:The present invention is illustrated by the following detailed description of a heat recovery heat recovery unit and its operation with reference to the illustrations shown in FIG. 1-3, where:

на фиг. 1 изображен продольный разрез МГТД;in FIG. 1 shows a longitudinal section of MGTD;

на фиг. 2 - поперечный разрез А-А интегрального узла камеры сгорания и теплообменника МГТД на фиг. 1;in FIG. 2 is a cross-sectional view AA of the integral unit of the combustion chamber and the MGTD heat exchanger in FIG. one;

на фиг. 3 - продольный разрез интегрального узла камеры сгорания и теплообменника в аксонометрической проекции.in FIG. 3 is a longitudinal section through an integral assembly of a combustion chamber and a heat exchanger in a perspective view.

Малоразмерный газотурбинный двигатель с регенерацией тепла содержит (см. фиг. 1-3) компрессор 1 с радиальным входным устройством 2, газовоздушный рекуперативный теплообменник 3, камеру сгорания 4, турбину 5 привода компрессора 1 и свободную турбину 6 с валом 7 привода потребителя эффективной мощности. Теплообменник 3 установлен после свободной турбины 6, соединен входом воздуха с выходом компрессора 1 через воздушную полость 8, а выходом - с входом камеры сгорания 4 и соединен входом газа с выходом свободной турбины 6, а выходом - с газосборником 9. Камера сгорания 4 выполнена трубчато-кольцевой, а теплообменник 3 - из отдельных модулей 10. Жаровые трубы 11 камеры сгорания 4 и модули 10 теплообменника 3 интегрированы в единый узел. При этом модули 10 теплообменника 3 и жаровые трубы 11 камеры сгорания 4 равномерно расположены по окружности. Жаровые трубы 11 камеры сгорания 3 размещены между модулями 10 теплообменника 4. Выходы воздуха модулей 10 теплообменника 3 гидравлически соединены с входами жаровых труб 11 камеры сгорания 4 через кольцевой воздушный коллектор 12. Выходы жаровых труб 11 камеры сгорания 4 гидравлически соединены с турбиной 5 привода компрессора 1 через индивидуальные газоходы 13. Кроме того, вал 7 свободной турбины 6 соединен с потребителем эффективной мощности (не показано) через редуктор 14 с выводным валом 15. Конструкция модулей 10 теплообменника 3 может быть различной, в том числе пластинчатой или трубчатой.A small-sized gas turbine engine with heat recovery contains (see Fig. 1-3) a compressor 1 with a radial inlet 2, a gas-air recuperative heat exchanger 3, a combustion chamber 4, a turbine 5 of the drive of the compressor 1 and a free turbine 6 with a shaft 7 of the drive of the consumer of effective power. The heat exchanger 3 is installed after the free turbine 6, connected to the air inlet with the compressor 1 through the air cavity 8, and the output to the input of the combustion chamber 4 and connected to the gas inlet to the output of the free turbine 6, and the output to the gas collector 9. The combustion chamber 4 is made tubular - ring, and heat exchanger 3 - from separate modules 10. The heat pipes 11 of the combustion chamber 4 and modules 10 of the heat exchanger 3 are integrated into a single unit. While the modules 10 of the heat exchanger 3 and the flame tubes 11 of the combustion chamber 4 are evenly spaced around the circumference. The flame tubes 11 of the combustion chamber 3 are located between the modules 10 of the heat exchanger 4. The air outlets of the modules 10 of the heat exchanger 3 are hydraulically connected to the inputs of the flame tubes 11 of the combustion chamber 4 through an annular air manifold 12. The outputs of the flame tubes 11 of the combustion chamber 4 are hydraulically connected to the turbine 5 of the compressor drive 1 through individual gas ducts 13. In addition, the shaft 7 of the free turbine 6 is connected to the consumer of effective power (not shown) through the gearbox 14 with the output shaft 15. The design of the modules 10 of the heat exchanger 3 can be different Noah, including the plate or tube.

МГТД работает следующим образом (см. фиг. 1). Воздух из атмосферы, поступающий через входное устройство 2 в двигатель, сжимается в компрессоре 1, а затем через воздушную полость 8 направляется на входы воздуха модулей 10 теплообменника 3. Подогретый горячими газами из свободной турбины 6 в модулях 10 теплообменника 3 воздух поступает в воздушный коллектор 12. Из коллектора 12 сжатый и подогретый воздух направляется на входы жаровых труб 11 камеры сгорания 4. Отдельно в форсунки 16 каждой жаровой трубы камеры сгорания 4 подается топливо. В камере сгорания 4 осуществляется образование, воспламенение и сгорание топливовоздушной смеси (ТВС). Газ продуктов сгорания ТВС, нагретый до заданной температуры, через индивидуальные газоходы 13 из жаровых труб 11 камеры сгорания 4 направляется на турбину 5, в которой кинетическая энергия газа преобразуется в механическую работу турбины 5 привода компрессора 1. Далее газ, потерявший часть своей энергии в турбине 5, направляется на свободную турбину 6, в которой его кинетическая энергия преобразуется в механическую работу, которая через вал 7 и редуктор 14 передается на выводной вал 15 привода потребителя эффективной мощности. Расширившись почти до атмосферного давления, но все еще горячий газ продуктов сгорания из свободной турбины 6 через кольцевую газовую полость 17 направляется на входы газа модулей 10 теплообменника 3. Проходящий в газовых полостях модулей теплообменника 3 горячий газ продуктов сгорания подогревает проходящий в воздушных полостях модулей теплообменника 3 сжатый в компрессоре 1 воздух и далее собирается в газосборнике 9. Из газосборника 9 газ выбрасывается в атмосферу (не показано).MGTD works as follows (see Fig. 1). Air from the atmosphere coming through the inlet device 2 to the engine is compressed in the compressor 1, and then through the air cavity 8 it is directed to the air inlets of the heat exchanger modules 10. Heated by hot gases from the free turbine 6 in the heat exchanger modules 10 3 enters the air manifold 12 From the manifold 12, compressed and heated air is directed to the inputs of the flame tubes 11 of the combustion chamber 4. Separately, fuel is supplied to the nozzles 16 of each flame tube of the combustion chamber 4. In the combustion chamber 4 is the formation, ignition and combustion of the air-fuel mixture (FA). The gas of the fuel assemblies of the fuel assembly, heated to a predetermined temperature, is sent through individual gas flues 13 from the flame tubes 11 of the combustion chamber 4 to the turbine 5, in which the kinetic energy of the gas is converted into the mechanical operation of the turbine 5 of the compressor drive 1. Next, the gas that has lost some of its energy in the turbine 5, is directed to a free turbine 6, in which its kinetic energy is converted into mechanical work, which is transmitted through the shaft 7 and the gearbox 14 to the output shaft 15 of the consumer’s drive of effective power. Having expanded to almost atmospheric pressure, but still hot gas of the combustion products from the free turbine 6 through the annular gas cavity 17 is directed to the gas inlets of the heat exchanger modules 10 3. The hot gas of the combustion products passing in the gas cavities of the heat exchanger modules 3 heats the heat exchanger modules 3 passing in the air cavities compressed air in compressor 1 is then collected in gas collector 9. Gas is emitted from gas collector 9 into the atmosphere (not shown).

Claims

Малоразмерный газотурбинный двигатель с регенерацией тепла, содержащий газотурбинный блок, включающий в себя компрессор с радиальным входным устройством, газовоздушный рекуперативный теплообменник, камеру сгорания, турбину привода компрессора и свободную турбину с валом привода потребителя эффективной мощности, причем теплообменник установлен после свободной турбины, соединен входом воздуха с выходом компрессора через воздушную полость, а выходом - с входом камеры сгорания и соединен входом газа с выходом свободной турбины, а выходом - с газосборником, отличающийся тем, что камера сгорания выполнена трубчато-кольцевой, а теплообменник - из отдельных модулей, жаровые трубы камеры сгорания и модули теплообменника интегрированы в единый узел, при этом модули теплообменника и жаровые трубы камеры сгорания равномерно расположены по окружности, причем жаровые трубы камеры сгорания размещены между модулями теплообменника, выходы воздуха модулей теплообменника гидравлически соединены с входами жаровых труб камеры сгорания через кольцевой воздушный коллектор, а выходы жаровых труб камеры сгорания гидравлически соединены с турбиной привода компрессора через индивидуальные газоходы, кроме того, вал свободной турбины соединен с потребителем эффективной мощности через редуктор с выводным валом. A small-sized gas-turbine engine with heat recovery, comprising a gas-turbine unit including a compressor with a radial inlet device, a gas-air recuperative heat exchanger, a combustion chamber, a compressor drive turbine and a free turbine with an effective power consumer drive shaft, the heat exchanger being installed after a free turbine and connected by an air inlet with the compressor output through the air cavity, and the output with the input of the combustion chamber and is connected by a gas input to the output of a free turbine, and the output m - with a gas collector, characterized in that the combustion chamber is made tubular and annular, and the heat exchanger is made up of separate modules, the combustion tube and the heat exchanger modules are integrated into a single unit, while the heat exchanger modules and the combustion tube flame tubes are evenly spaced the combustion chamber flame tubes are located between the heat exchanger modules, the air exits of the heat exchanger modules are hydraulically connected to the combustion chamber flame tube inlets through an annular air collector, and the outputs The ary tubes of the combustion chamber are hydraulically connected to the compressor drive turbine through individual flues, in addition, the shaft of the free turbine is connected to the consumer with effective power through a gearbox with an output shaft.