EA001527B1

EA001527B1 - Теплообменник

Info

Publication number: EA001527B1
Application number: EA199900554A
Authority: EA
Inventors: Джеймс Ян Освалд; Дэвид Энтони Досэн
Original assignee: РОЛЛС-РОЙС Пи-Эл-Си
Priority date: 1995-07-12
Filing date: 1996-12-19
Publication date: 2001-04-23
Also published as: TW386925B; DE69610589D1; CA2275355C; JP3868503B2; SE512582C2; EP0753712A3; NO993026L; SE9902280D0; US6115919A; SE9902280L; EP0753712A2; CA2275355A1; EP0753712B1; JP2001507114A; KR20000057702A; WO1998027393A1; DE69610589T2; PL182464B1; US5797449A; NO993026D0

Abstract

Кольцевой теплообменник содержит первый непрерывный листовой элемент, свернутый в спираль, и второй непрерывный листовой элемент, свернутый в спираль. Первый, проходящий в осевом направлении канал ограничен между первой поверхностью первого непрерывного листового элемента и третьей поверхностью второго непрерывного листового элемента, а второй, проходящий в осевом направлении канал ограничен между второй поверхностью первого непрерывного листового элемента и четвертой поверхностью второго непрерывного листового элемента. Первый канал закрыт на своих концах спиральными уплотнениями, сформированными между первым непрерывным листовым элементом и вторым непрерывным листовым элементом. Второй канал открыт на своих концах. Множество каналов, проходящих в радиальном направлении, предусмотрено для подачи первой текучей среды на первом конце в первый канал, для удаления первой текучей среды из второго конца первого канала и для межсоединений смежных витков первого канала. Каналы проходят в радиальном направлении через второй канал.

Description

Настоящее изобретение относится к теплообменникам и, в частности, к теплообменникам с пластинчатыми ребрами или к первичным (основным) поверхностным пластинчатым теплообменникам.

Теплообменники с пластинчатыми ребрами, как правило, содержат множество пластин и множество ребер, проходящих между каждой смежной парой пластин и прикрепленных к каждой из них. Эти ребра крепятся к пластинам пайкой твердым припоем, сваркой, путем образования диффузионного соединения и так далее. Ребра ограничены гофрированными пластинами. В теплообменниках с пластинчатыми ребрами ребра образовывают каналы для прохождения потоков текучих сред, участвующих в теплообменном взаимодействии.

Первичные поверхностные пластинчатые теплообменники, как правило, содержат множество пластин и множество распорных деталей, проходящих между каждой смежной парой пластин, для разделения пластин. В первичных поверхностных пластинчатых теплообменниках пластины образовывают каналы для прохождения потоков текучих сред, участвующих в теплообменном взаимодействии.

Теплообменник с пластинчатыми ребрами или первичный поверхностный пластинчатый теплообменник может быть установлен в непосредственной близости вокруг двигателя, например, газотурбинного двигателя, если теплообменник выполнен в виде спиральной конфигурации. Такие спиральные теплообменники имеют преимущество в том отношении, что они дешевле в производстве, производят меньше термических напряжений и обеспечивают защитную оболочку для лопаток, если установлены вокруг турбины газотурбинного двигателя.

Однако попытки, сделанные на известном уровне техники для создания спирального теплообменника, не привели в результате к получению простого практичного способа подачи текучих сред в теплообменник и удаления их из него.

Кольцевой теплообменник, соответствующий предшествующему уровню техники, описанный в патенте ОВ № 1376466, содержит первый непрерывный листовой элемент и второй непрерывный листовой элемент. Первый непрерывный листовой элемент свернут в спираль и второй непрерывный элемент свернут в спираль. Первый непрерывный листовой элемент имеет первую поверхность и вторую поверхность, а второй непрерывный листовой элемент имеет третью поверхность и четвертую поверхность. Первый канал, проходящий в осевом направлении, ограничен между первой поверхностью первого непрерывного листового элемента и третьей поверхностью второго непрерывного листового элемента, а второй канал, проходящий в осевом направлении, ограничен между второй поверхностью первого непрерывного листового элемента и четвертой поверхностью второго непрерывного листового элемента. Концы первого канала, проходящего в осевом направлении, уплотнены на краях первого и второго непрерывных листовых элементов. Концы второго канала, проходящего в осевом направлении, открыты. Для подачи первой текучей среды в первый канал, проходящий в осевом направлении, предусмотрен, по меньшей мере, один канал, проходящий в радиальном направлении через первый или второй непрерывный листовой элемент, а для удаления первой текучей среды из первого канала, проходящего в осевом направлении, предусмотрен, по меньшей мере, один канал, проходящий в радиальном направлении через первый или второй непрерывные листовые элементы.

Задачей настоящего изобретения является создание новой конструкции теплообменника и нового способа изготовления теплообменника.

В соответствии с настоящим изобретением заявляется способ изготовления кольцевого теплообменника, предусматривающий

a) образование первого непрерывного листового элемента, имеющего первую поверхность и вторую поверхность;

b) образование второго непрерывного листового элемента, имеющего третью поверхность и четвертую поверхность;

c) образование первого набора отверстий в первом непрерывном листовом элементе, образование второго набора отверстий в первом непрерывном листовом элементе, причем смежные отверстия в первом наборе отверстий отстоят друг от друга в продольном направлении первого непрерывного листового элемента, смежные отверстия во втором наборе отверстий отстоят друг от друга в продольном направлении первого непрерывного листового элемента, при этом первый и второй наборы отверстий отстоят друг от друга в поперечном направлении первого непрерывного листового элемента;

б) образование третьего набора отверстий во втором непрерывном листовом элементе, образование четвертого набора отверстий во втором непрерывном листовом элементе, причем смежные отверстия в третьем наборе отверстий отстоят друг от друга в продольном направлении второго непрерывного листового элемента, смежные отверстия в четвертом наборе отверстий отстоят друг от друга в продольном направлении второго непрерывного листового элемента, при этом третий и четвертый наборы отверстий отстоят друг от друга в поперечном направлении второго непрерывного листового элемента;

е) свертывание первого и второго непрерывных листовых элементов вместе в спираль так, чтобы отверстия первого набора отверстий в первом непрерывном листовом элементе были совмещены с отверстиями в третьем наборе отверстий во втором непрерывном листовом эле3 менте, а отверстия второго набора отверстий в первом непрерывном листовом элементе были совмещены с отверстиями четвертого набора отверстий во втором непрерывном листовом элементе;

£) уплотнение краев первой поверхности первого непрерывного листового элемента с краями третьей поверхности второго непрерывного листового элемента;

д) уплотнение отверстий первого набора отверстий в первом непрерывном листовом элементе с отверстиями в третьем наборе отверстий второго непрерывного листового элемента и уплотнение отверстий второго набора отверстий в первом непрерывном листовом элементе с отверстиями четвертого набора отверстий во втором непрерывном листовом элементе так, чтобы вторая поверхность первого непрерывного листового элемента была уплотнена с четвертой поверхностью второго непрерывного листового элемента.

Этот способ может предусматривать образование, по меньшей мере, одного непрерывного гофрированного листового элемента, свертывание, по меньшей мере, одного непрерывного гофрированного листового элемента вместе с первым и вторым непрерывными листовыми элементами в спираль.

Способ может предусматривать образование двух непрерывных гофрированных листовых элементов, размещение одного из непрерывных гофрированных листовых элементов между первым и вторым непрерывными листовыми элементами и свертывание непрерывных гофрированных листовых элементов вместе с первым и вторым непрерывными листовыми элементами в спираль.

Предпочтительно, чтобы уплотнение краев осуществлялось пайкой твердым припоем, сваркой или опрессовкой. Предпочтительно, чтобы уплотнение краев происходило непрерывной сваркой в виде двух спиральных швов.

Предпочтительно, чтобы уплотнение краев осуществлялось посредством сварки.

Настоящее изобретение направлено также на создание кольцевого теплообменника, содержащего первый непрерывный листовой элемент и второй непрерывный листовой элемент, первый непрерывный листовой элемент имеет спиральную конфигурацию, второй непрерывный листовой элемент имеет спиральную конфигурацию, первый непрерывный листовой элемент имеет первую поверхность и вторую поверхность, второй непрерывный листовой элемент имеет третью поверхность и четвертую поверхность, первый, проходящий в осевом направлении, канал ограничен между первой поверхностью первого непрерывного листового элемента и третьей поверхностью второго непрерывного листового элемента, второй, проходящий в осевом направлении, канал ограничен между второй поверхностью первого непрерыв ного листового элемента и четвертой поверхностью второго непрерывного листового элемента, концы первого, проходящего в осевом направлении, канала уплотнены по краям первого и второго непрерывных листовых элементов, концы второго, проходящего в осевом направлении, канала открыты, причем, по меньшей мере, один, проходящий в радиальном направлении, канал проходит через первый или второй непрерывный листовой элемент для подачи первой текучей среды в первый, проходящий в осевом направлении, канал, по меньшей мере, один, проходящий в радиальном направлении, канал проходит через первый или второй непрерывный листовой элемент для удаления первой текучей среды из первого, проходящего в осевом направлении, канала, первый непрерывный листовой элемент имеет первый набор отверстий, смежные отверстия в первом наборе отверстий отстоят друг от друга в продольном направлении первого непрерывного листового элемента, первый непрерывный листовой элемент имеет второй набор отверстий, смежные отверстия во втором наборе отверстий отстоят друг от друга в продольном направлении первого непрерывного листового элемента, первый и второй наборы отверстий отстоят друг от друга в поперечном направлении первого непрерывного листового элемента, второй непрерывный листовой элемент имеет третий набор отверстий, смежные отверстия в третьем наборе отверстий отстоят друг от друга в продольном направлении второго непрерывного листового элемента, второй непрерывный листовой элемент имеет четвертый набор отверстий, смежные отверстия в четвертом наборе отверстий отстоят друг от друга в продольном направлении второго непрерывного листового элемента, третий и четвертый наборы отверстий отстоят друг от друга в поперечном направлении второго непрерывного листового элемента, отверстия первого набора отверстий в первом непрерывном листовом элемента совмещены с отверстиями в третьем наборе отверстий во втором непрерывном листовом элементе для образования множества каналов и отверстия второго набора отверстий в первом непрерывном листовом элементе совмещены с отверстиями четвертого набора отверстий во втором непрерывном листовом элементе для образования множества каналов, края первой поверхности первого непрерывного листового элемента уплотнены с краями третьей поверхности второго непрерывного листового элемента, отверстия первого набора отверстий в первом непрерывном листовом элементе уплотнены с отверстиями третьего набора отверстий во втором непрерывном листовом элементе и отверстия второго набора отверстий в первом непрерывном листовом элементе уплотнены с отверстиями четвертого набора отверстий во втором непрерывном листовом элементе так, чтобы вторая поверхность первого непрерывного листового элемента была уплотнена с четвертой поверхностью второго непрерывного листового элемента, по меньшей мере, один канал, проходящий в радиальном направлении, образованный для подачи первой текучей среды в первый, проходящий в осевом направлении, канал, и, по меньшей мере, один канал, проходящий в радиальном направлении, образованный для удаления первой текучей среды из первого канала, проходящего в осевом направлении, отстоят друг от друга в поперечном направлении первого и второго непрерывных листовых элементов.

Теплообменник может содержать, по меньшей мере, один непрерывный гофрированный листовой элемент, причем непрерывный гофрированный листовой элемент свернут в спираль. По меньшей мере, один непрерывный гофрированный листовой элемент может быть расположен между первой поверхностью первого непрерывного листового элемента и третьей поверхностью второго непрерывного листового элемента. По меньшей мере, один непрерывный гофрированный листовой элемент может быть расположен между второй поверхностью первого непрерывного листового элемента и четвертой поверхностью второго непрерывного листового элемента.

Предпочтительно, чтобы имелось множество каналов, проходящих в радиальном направлении, для подачи первой текучей среды в первый канал.

Предпочтительно, чтобы имелось множество радиальных каналов, проходящих через второй канал, проходящий в осевом направлении, для подачи первой текучей среды между смежными витками спирали.

Настоящее изобретение будет более подробно описано на примере со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых фиг. 1 - изометрическое изображение теплообменника, соответствующего настоящему изобретению;

фиг. 2 - увеличенное продольное сечение теплообменника, показанного на фиг. 1 ;

фиг. 3 - поперечное сечение, сделанное по линии А-А на фиг. 2;

фиг. 4 - изометрическое представление способа изготовления теплообменника, показанного на фиг. 2 и 3;

фиг. 5 - увеличенное продольное сечение альтернативного варианта осуществления теплообменника, соответствующего настоящему изобретению;

фиг. 6 - поперечное сечение, сделанное по линии В-В на фиг. 5;

фиг. 7 - изометрическое представление способа изготовления теплообменника, показанного на фиг. 4, 5 и 6;

фиг. 8 - альтернативное поперечное сечение, сделанное по линии В -В на фиг. 5;

фиг. 9 - изометрическое изображение теплообменника, показанного на фиг. 8, сделанное с частичным вырывом;

фиг. 10 - поперечное сечение дополнительного варианта осуществления теплообменника, соответствующего настоящему изобретению;

фиг. 11 - увеличенная часть теплообменника, показанного на фиг. 1 0;

фиг. 1 2 - увеличенное альтернативное изображение части теплообменника, показанного на фиг. 1 0;

фиг. 1 3 - увеличенное альтернативное изображение части теплообменника, показанного на фиг. 1 0.

На фиг. 1 , 2 и 3 показан теплообменник 1 0, пригодный для использования в промежуточном охладителе, регенераторе или рекуператоре газотурбинного двигателя. Теплообменник 1 0 является кольцевым и содержит первый непрерывный листовой элемент 1 2 и второй непрерывный листовой элемент 1 4. Первый и второй непрерывные листовые элементы 1 2 и 1 4 соответственно свернуты в спираль.

Первый непрерывный листовой элемент 1 2 имеет первую поверхность 1 6 и вторую поверхность 1 8 и аналогичным образом второй непрерывный листовой элемент 1 4 имеет третью поверхность 20 и четвертую поверхность 22. Первый и второй непрерывные листовые элементы 1 2 и 1 4 расположены так, чтобы первая поверхность 1 6 первого непрерывного листового элемента 1 2 была обращена к третьей поверхности 20 второго непрерывного листового элемента 1 4, а вторая поверхность 1 8 первого непрерывного листового элемента 1 2 была обращена к четвертой поверхности 22 второго непрерывного листового элемента 1 4.

Первый непрерывный листовой элемент 1 2 имеет первый набор отверстий 24, отстоящих друг от друга в продольном направлении первого непрерывного листового элемента 1 2, и второй набор отверстий 26, отстоящих друг от друга в продольном направлении первого непрерывного листового элемента 12. Отверстия 24 и 26 отстоят друг от друга в поперечном направлении первого непрерывного листового элемента 1 2. Отверстия 24 расположены на заданном расстоянии от проходящего в продольном направлении края 32 первого непрерывного листового элемента 1 2, причем отверстия 26 также расположены на заданном расстоянии от проходящего в продольном направлении края 34 первого непрерывного листового элемента 1 2.

Второй непрерывный листовой элемент 1 4 имеет третий набор отверстий 28, отстоящих друг от друга в продольном направлении второго непрерывного листового элемента 1 4, и четвертый набор отверстий 30, отстоящих друг от друга в продольном направлении второго непрерывного листового элемента 1 4. Отверстия 28 и 30 отстоят друг от друга в поперечном на001527 правлении второго непрерывного листового элемента 14. Отверстия 28 расположены на заданном расстоянии от проходящего в продольном направлении края 36 второго непрерывного листового элемента 14, причем отверстия 30 также расположены на заданном расстоянии от проходящего в продольном направлении края 38 второго непрерывного листового элемента 14.

Проходящие в продольном направлении края 32 и 34 первого непрерывного листового элемента 12 уплотнены с проходящими в продольном направлении краями 36 и 38 второго непрерывного листового элемента 14 пайкой твердым припоем, сваркой, клеем или опрессовкой и тому подобным посредством двух непрерывных спиральных швов. Такое уплотнение краев 32 и 34 первого непрерывного листового элемента 12 с краями 36 и 38 второго непрерывного листового элемента 1 4 образовывает один, проходящий в осевом направлении, канал 40 между первой поверхностью 16 первого непрерывного листового элемента 1 2 и третьей поверхностью 20 второго непрерывного листового элемента 14. Канал 40, безусловно, образует спираль.

Края отверстий 24 уплотнены с краями отверстий 28, а края отверстий 26 уплотнены с краями отверстий 30 таким образом, чтобы обеспечивать получение взаимно соединенных каналов 42 и 44 для смежных витков, проходящего в осевом направлении, канала 40. Уплотнение краев отверстий вместе, как описано выше, ограничивает единый, проходящий в осевом направлении, канал 46 между второй поверхностью 1 8 первого непрерывного листового элемента 1 2 и четвертой поверхностью 22 второго непрерывного листового элемента 1 4. Канал 46, безусловно, образует спираль. Каналы 42 образуют первый коллектор 48 для подачи первой текучей среды в радиальном направлении к каналу 40, а каналы 44 образуют второй коллектор 50 для удаления первой текучей среды из канала 40. Вторая текучая среда подается по каналу 46.

Предпочтительно, чтобы каналы 42 между смежными витками, проходящего в осевом направлении, канала 40 были расположены так, чтобы их оси лежали на линиях, соответствующих оси теплообменника 10. Аналогичным образом, каналы 44 между смежными витками, проходящего в осевом направлении, канала 40 расположены так, чтобы их оси лежали на линиях, соответствующих оси теплообменника 1 0. Таким образом, имеется несколько, например, шесть, радиальных коллекторов 48 и несколько, например, шесть, радиальных коллекторов 50. Такие, совмещенные в радиальном направлении каналы 42 и 44 лучше показаны на фиг. 9.

Первый непрерывный листовой элемент 1 2 имеет выступы, проходящие в радиальном направлении внутрь, для образования зазора между его второй поверхностью 1 8 и четвертой по верхностью 22 второго непрерывного листового элемента 1 4. Аналогичным образом, второй непрерывный листовой элемент 1 4 имеет выступы, проходящие в радиальном направлении внутрь, для образования зазора между его третьей поверхностью 20 и первой поверхностью 1 6 первого непрерывного листового элемента 1 2. В равной степени можно иметь выступы, проходящие в радиальном направлении наружу как из первого, так и из второго непрерывных листовых элементов 1 2 и 1 4 соответственно, или иметь выступы, проходящие в радиальном направлении внутрь и в радиальном направлении наружу из первого непрерывного листового элемента 1 2 или из второго непрерывного листового элемента 1 4 для образования зазора между поверхностями 1 6 и 1 8 первого непрерывного листового элемента 1 2 и поверхностями 20 и 22 второго непрерывного листового элемента 1 4. Однако в некоторых случаях применения можно обойтись без выступов. На внутренней и внешней поверхностях теплообменника 1 0 предусмотрены периферийные разделительные стенки 52 и 54. Наружный конец стенки 52 уплотнен с внутренней поверхностью непрерывного листового элемента 1 4 кольцевого теплообменника 1 0 в месте между двумя наборами отверстий, смежных краям листовых элементов. Аналогичным образом, внутренний конец стенки 54 прикреплен к наружной поверхности непрерывного листового элемента 1 2 кольцевого теплообменника 1 0 в определенном месте между двумя наборами отверстий, смежных краям листовых элементов. Другие концы стенок 52 и 54 уплотнены с внутренней оболочкой 56 и наружной оболочкой 58 соответственно. Стенки 52 и 54 разделяют первую текучую среду в точках ее входа и выхода из кольцевого теплообменника 1 0.

В показанном характерном устройстве, относительно горячую вторую текучую среду подают с правой стороны кольцевого теплообменника 1 0. В этом примере горячая вторая текучая среда представляет собой отработавшие выхлопные газы из газотурбинного двигателя. Относительно холодную первую текучую среду подают к первому коллектору 48. В этом примере холодная текучая среда представляет собой воздух, подаваемый из компрессора прежде, чем его подают в камеру (камеры) сгорания газотурбинного двигателя. Вторая текучая среда проходит в осевом направлении через канал 46 в противотоке течению первой текучей среды, проходящей в осевом направлении через канал 40. Вторая текучая среда отдает тепло первой текучей среде, когда они проходят через каналы 46 и 40 соответственно кольцевого теплообменника 1 0. Первая текучая среда, покидающая второй коллектор 50, подогрета в результате теплообмена со второй текучей средой, после чего первую текучую среду подают в камеру (камеры) сгорания газотурбинного двигателя.

В альтернативном варианте осуществления было бы возможно подавать относительно холодную вторую текучую среду с правой стороны кольцевого теплообменника 10. Относительно горячую первую текучую среду подавать к первому коллектору 48. Вторая текучая среда проходит в осевом направлении по каналу 46 в противотоке течению первой текучей среды, проходящей в осевом направлении через канал 40. Первая текучая среда отдает тепло второй текучей среде, когда они проходят через каналы 40 и 46 соответственно кольцевого теплообменника 1 0. Вторая текучая среда, покидающая каналы 46, подогрета в результате теплообмена с первой текучей средой, после чего вторую текучую среду подают к камере (камерам) сгорания газотурбинного двигателя.

В другом варианте осуществления потоки текучих сред могут подаваться для прохождения в противоположных направлениях, причем в этом случае теплообменник также остается в пределах объема настоящего изобретения.

Первый и второй непрерывные листовые элементы предпочтительно получают из нержавеющей стали, хотя могут быть использованы другие пригодные металлы, сплавы, пластики или керамика.

Теплообменник 10 изготавливают, как показано на фиг. 4, получая сначала два непрерывных листовых элемента 12 и 14, например, из нержавеющей стали. Первый набор отверстий 24 и второй набор отверстий 26 образуют в первом листовом элементе 1 2 на заданных расстояниях от краев 32 и 34 первого непрерывного листового элемента 12. Аналогичным образом, третий набор отверстий 28 и четвертый набор отверстий 30 образуют во втором непрерывном листовом элементе 1 4 на заданных расстояниях от краев 36 и 38 второго непрерывного листового элемента 1 4.

Отверстия 24, 26, 28 и 30 предпочтительно получают штамповкой первого и второго непрерывных листовых элементов 1 2 и 1 4 соответственно, но могут быть использованы другие пригодные технологии.

Области, расположенные непосредственно вокруг отверстий 24, 26, 28 и 30, деформируют в направлении к четвертой и второй поверхностям 22 и 1 8 соответственно для образования впадин для создания зазора между первым и вторым непрерывными листовыми элементами 12 и 14. Края 32, 34, 36 и 38 первого и второго непрерывных листовых элементов 1 2 и 1 4 соответственно также деформируют по направлению к третьей и первой поверхностям 20 и 1 6 соответственно.

Края отверстий 24 и 28 уплотняют вместе в положении 62 и края отверстий 26 и 30 уплотняют вместе для образования взаимно соединенных каналов 42 и 44 между каналом 40. Уплотнение отверстий осуществляют предпочтительно посредством сварки. Уплотнения также можно получить посредством пайки твердым припоем, склеивания или опрессовки или с помощью других приемлемых способов получения герметичных соединений. Предпочтительно, чтобы края отверстий 24 и 28 были уплотнены вместе прежде, чем первый и второй непрерывные листовые элементы 1 2 и 1 4 соответственно свертывают вместе в спираль.

Первый и второй непрерывные листовые элементы 1 2 и 1 4 соответственно свертывают вместе в спираль.

Первый и второй непрерывные листовые элементы 1 2 и 1 4 соответственно свертывают в спираль достаточно плотно и расстояние между смежными отверстиями в продольном направлении непрерывного листового элемента в каждом из четырех наборов отверстий 24, 26, 28 и 30 имеет такую величину, чтобы оси отверстий совместились для образования радиальных коллекторов 48 и 50. Первый и второй непрерывные листовые элементы 1 2 и 1 4 соответственно предпочтительно свертывают в спираль намоткой на трубчатую или ступенчатую трубчатую оправку.

Края 32 и 34 первой поверхности 16 первого непрерывного листового элемента 1 2 уплотняют с краями 36 и 38 третьей поверхности 20 второго непрерывного листового элемента 14. Этого добиваются путем получения двух непрерывных сварных швов 60, в то время как первый и второй непрерывные листовые элементы 1 2 и 1 4 соответственно свертывают вместе. В альтернативном варианте осуществления эти края могут быть сварены вместе после того, как непрерывные листовые элементы были свернуты вместе. В качестве дополнительной альтернативы может быть возможным размещение спиралей уплотняющего материала между краями 32 и 34 первой поверхности 1 6 и краями 36 и 38 третьей поверхности 20 и сварка краев уплотняющих полос.

Когда первый и второй непрерывные листовые элементы 1 2 и 1 4 соответственно полностью свернуты на теплообменнике 1 0, уплотняют продольные концы, например, сваркой, в поперечном направлении или в осевом направлении для предотвращения утечек горячего газа или холодного воздуха из каналов 46 и 40 соответственно, и для соединения вместе смежных витков спирали. Дополнительно могут быть предусмотрены другие поперечные или аксиальные сварные соединения в соответствующих местах, отстоящих от концов для соединения вместе смежных витков спирали.

Описанное выше устройство, соответствующее настоящему изобретению, представляет собой первичный (основной) поверхностный пластинчатый теплообменник, но настоящее изобретение в равной степени применимо к теплообменнику 110 с пластинчатыми ребрами, как показано на фиг. 5 и 6. В таком случае представляется возможным иметь два, третий и чет вертый, непрерывных гофрированных листовых элемента 64 и 66, а также первый и второй непрерывные листовые элементы 12 и 14 соответственно, причем все расположены в спиралях. Один из непрерывных гофрированных листовых элементов 64 расположен между первым и вторым непрерывными листовыми элементами 1 2 и 14 соответственно. Другой один из непрерывных гофрированных листовых элементов 66 опирается на один из непрерывных листовых элементов, например, на непрерывный листовой элемент 14. Гофрировки непрерывных гофрированных листовых элементов 64 и 66 расположены поперечно или аксиально непрерывным листовым элементам 1 2 и 1 4.

Теплообменник 110 изготавливают получая сначала два непрерывных листовых элемента 1 2 и 1 4, образуя четыре набора отверстий 24, 26, 28 и 30 в первом и втором непрерывных листовых элементах 1 2 и 1 4 соответственно. Области, расположенные непосредственно вокруг отверстий 24, 26, 28 и 30 деформируют для образования впадин, а также деформируют края 32, 34, 36 и 38. Края отверстий 24 и 28 и края отверстий 26 и 30 уплотняют друг с другом.

Непрерывный гофрированный листовой элемент 64 устанавливают между первым и вторым непрерывными листовыми элементами 1 2 и 1 4 соответственно, а четвертый непрерывный гофрированный листовой элемент 66 устанавливают, опирая его на первый непрерывный листовой элемент 12, как показано на фиг. 7.

Первый и второй непрерывные листовые элементы 1 2 и 1 4 соответственно, а также третий и четвертый непрерывные гофрированные листовые элементы 64 и 66 соответственно свертывают вместе в спираль, предпочтительно намоткой на трубчатую или ступенчатую трубчатую оправку.

Края 32 и 34 первой поверхности 16 первого непрерывного листового элемента 1 2 уплотняют с краями 36 и 38 третьей поверхности 20 второго непрерывного листового элемента 1 4 предпочтительно посредством сварки, либо когда листовые элементы 1 2 и 1 4 свертывают вместе, или после того, как листовые элементы 1 2 и 1 4 были свернуты вместе. После этого продольные концы первого и второго непрерывных листовых элементов 1 2 и 1 4 соответственно уплотняют посредством сварки поперечно листам или в осевом направлении теплообменника.

Кроме того, теплообменник 210 может быть частью теплообменника с пластинчатыми ребрами или частью первичного поверхностного пластинчатого теплообменника, как показано на фиг. 8 и 9. В этом случае можно иметь один непрерывный гофрированный листовой элемент 64 и первый и второй непрерывные листовые элементы 1 2 и 1 4 соответственно, причем все листовые элементы свернуты в спираль. Непрерывный гофрированный листовой элемент 64 располагают либо между первым и вторым не прерывными листовыми элементами 1 2 и 1 4 соответственно, или опирают на один из непрерывных листовых элементов 1 2 или 1 4. Гофрировки непрерывного листового элемента 64 расположены поперечно или аксиально листовым элементам 1 2 и 1 4.

Теплообменник 210 изготавливают получая сначала два непрерывных листовых элемента 1 2 и 1 4, образуя четыре набора отверстий 24, 26, 28 и 30 в первом и втором непрерывных листовых элементах 1 2 и 1 4 соответственно. Области, расположенные непосредственно вокруг отверстий 24, 26, 28 и 30, деформируют для образования впадин, а также деформируют края 32, 34, 36 и 38. Второй непрерывный листовой элемент 14 имеет выступы, проходящие в радиальном направлении внутрь.

Края отверстий 24 и 28 и края отверстий 26 и 30 уплотняют друг с другом.

Гофрированный непрерывный листовой элемент 64 устанавливают между первым и вторым непрерывными листовыми элементами 1 2 и 1 4 соответственно.

Первый и второй непрерывные листовые элементы 12 и 14 соответственно и гофрированный непрерывный листовой элемент 64 свертывают вместе в спираль предпочтительно намоткой на трубчатую или ступенчатую трубчатую оправку.

Теплообменник, показанный на фиг. 9, имеет впускной воздуховод 68 для теплообменника, который соединен с этим теплообменником с помощью первого сильфона 70. Первый сильфон 70 для подачи воздуха к внутренней в радиальном направлении стороне теплообменника во внутренней оболочке 56 расположен коаксиально оси теплообменника. Внутренняя оболочка 56 предпочтительно является трубчатой оправкой, которую используют при изготовлении спирального теплообменника. Для предотвращения прохождения потока воздуха прямо по внутренней оболочке 56 в ней установлена запирающая пластина 72. Поток воздуха заставляют проходить в радиальном направлении наружу через набор отверстий 76 во внутренней оболочке 56 и в радиальном направлении наружу через каналы 42 перед прохождением в осевом направлении через теплообменник и в радиальном направлении внутрь через каналы 44 и через дополнительный набор от13 верстий 78 во внутренней оболочке 56. Внутренняя оболочка 56 предусмотрена с расширениями 74, имеющими форму раструбов, к отверстиям 76 для обеспечения плавного прохождения потока воздуха в каналы 42. После этого поток воздуха выходит из теплообменника через второй сильфон 80 в выпускном воздуховоде 82. Второй сильфон 80 для удаления воздуха от внутренней в радиальном направлении стороны теплообменника во внутренней оболочке 56 также расположен коаксиально оси теплообменника.

Непрерывный гофрированный листовой элемент 64, показанный на фиг. 9, имеет зоны 64А на своих краях в поперечном направлении, или аксиальных краях, где расстояния между гофрировками в продольном направлении имеют относительно большую величину, и имеет центральную зону 64В, где расстояния между гофрировками в продольном направлении имеют относительно небольшую величину. Относительно большие расстояния между гофрировками в зоне 64А должны позволять потоку газа проходить по радиальным каналам 44 и 42 и более равномерно распределяться периферийно по теплообменнику. Однако можно иметь неравномерно отстоящие друг от друга гофрировки в поперечном и аксиальном направлениях теплообменника.

Подача текучей среды и удаление текучей среды из радиальных каналов 42 и 44 может осуществляться в радиальном направлении внутрь, в радиальном направлении наружу или в комбинации этих двух направлений. Как показано на фиг. 2, текучую среду подают в канал 42 в радиальном направлении внутрь, а удаляют из канала 44 в радиальном направлении наружу. Как показано на фиг. 5, текучую среду подают в канал 42 в радиальном направлении внутрь и удаляют из канала 44 в радиальном направлении наружу. Как показано на фиг. 9, текучую среду подают в канал 42 в радиальном направлении наружу, а удаляют из канала 44 в радиальном направлении внутрь. В равной степени возможно подавать текучую среду в канал 42 в радиальном направлении внутрь, а удалять текучую среду из канала 44 в радиальном направлении наружу.

Преимущество спирального теплообменника такого типа по сравнению с плоским теплообменником заключаются в том, что в спиральном теплообменнике термические напряжения значительно меньше (приблизительно в 10 раз) поскольку самый горячий конец спирального теплообменника может проходить в радиальном направлении без ограничения более холодным концом теплообменника.

Кроме того, спиральный теплообменник относительно дешев в производстве, поскольку имеется только относительно небольшое число элементов (первый и второй непрерывные листовые элементы и возможно одна или две гоф рированные полосы), а технологический процесс производства является непрерывным технологическим процессом. Имеется очень немного отходов и исключается обязательная необходимость пайки непрерывных гофрированных листовых элементов твердым припоем.

Спиральный теплообменник имеет противотоки текучих сред, что способствует теплообмену, а также небольшое гидравлическое сопротивление, что ведет к небольшому падению давления, что делает его очень эффективным для теплообмена между газами.

Выбором соответствующих размеров гофрировок и выступов можно приспособить теплообменник для применения с различными текучими средами.

Один или более спиральных теплообменников может быть установлен на выходе из газотурбинного двигателя в зависимости от размера газотурбинного двигателя и соответствующего ему канала для выхлопа отработанных газов. При отказе какого-либо теплообменника, он может быть заменен или снят.

Другой теплообменник, пригодный для применения в качестве промежуточного охладителя, регенератора или рекуператора газотурбинного двигателя, показан на фиг. 10 и 11. Теплообменник 1 0 аналогичен теплообменнику, показанному на фиг. 2 и 3, в том отношении, что теплообменник 1 0 содержит первый непрерывный листовой элемент 1 2 и второй непрерывный листовой элемент 1 4, которые свернуты в спираль. Первый и второй непрерывные листовые элементы 1 2 и 1 4 соответственно имеют выступы 65 и 67, проходящие в радиальном направлении внутрь или в радиальном направлении наружу, для образования зазора между смежными витками первого и второго непрерывных листовых элементов 1 2 и 1 4 соответственно. Между смежными витками первого и второго непрерывных листовых элементов 1 2 и 1 4 соответственно образовано множество каналов для прохождения потока текучей среды.

Теплообменник 1 0 расположен внутри цилиндрического сосуда 84 высокого давления. Между наружной поверхностью 90 кольцевого теплообменника 1 0 и внутренней поверхностью 92 цилиндрического сосуда 84 высокого давления образована кольцевая камера 86, а внутренней поверхностью 94 теплообменника 10 образована цилиндрическая камера 88. Кольцевая камера 86 и цилиндрическая камера 88 внутри цилиндрического сосуда 84 высокого давления соединены трубой 96 с источником 98 текучей среды высокого давления.

В процессе работы текучую среду высокого давления подают из источника 98 текучей среды высокого давления по трубе 96 к кольцевой камере 86 и цилиндрической камере 88 в цилиндрическом сосуде 84 высокого давления.

Текучая среда высокого давления в кольцевой камере 86 и цилиндрической камере 88 полно15 стью окружает кольцевой теплообменник 10 и прикладывает к кольцевому теплообменнику 10 радиальное сжимающее усилие. Радиальное сжимающее усилие, приложенное к кольцевому теплообменнику 10, обеспечивает сжатие теплообменника. Усилия, производимые давлением текучей среды высокого давления в кольцевой камере 86 и цилиндрической камере 88, прикладываются к цилиндрическому сосуду 84 высокого давления, который в соответствии с этим испытывает растяжение.

Преимущество такого теплообменника заключаются в том, что он может работать при более высоких температурах и более высоких давлениях. Другим преимуществом является то, что такой кольцевой теплообменник является безопасным в эксплуатации. При запредельном давлении или перегреве такого кольцевого теплообменника в процессе работы, он скорее покоробится, чем разорвется в отличии от теплообменника известного уровня техники. Кроме того, такой кольцевой теплообменник при перекомпрессии остается герметичным.

Еще один теплообменник 10, пригодный для применения в качестве промежуточного охладителя, регенератора или рекуператора газотурбинного двигателя, показан на фиг. 10 и

12. Теплообменник 10 аналогичен теплообменнику, показанному на фиг. 5 и 6, в том отношении, что кольцевой теплообменник 1 0 расположен во внутренней области цилиндрического сосуда 84 высокого давления. Теплообменник 1 0 содержит первый непрерывный листовой элемент 1 2 и второй непрерывный листовой элемент 1 4. Два непрерывных гофрированных листовых элемента 64 и 66 расположены между первым и вторым непрерывными листовыми элементами 1 2 и 1 4.

Непрерывные гофрированные листовые элементы 64 и 66 могут быть прикреплены к первому и второму непрерывным листовым элементам 1 2 и 1 4 соответственно пайкой твердым припоем, сваркой или путем получения диффузионного соединения. В альтернативном и предпочтительном варианте осуществления непрерывные гофрированные листовые элементы 64 и 66 не крепят к первому и второму непрерывным листовым элементам 1 2 и 1 4.

Между наружной поверхностью 90 кольцевого теплообменника 1 0 и внутренней поверхностью 92 цилиндрического сосуда 84 высокого давления образована кольцевая камера 86, а цилиндрическая камера 88 образована внутренней поверхностью 94 теплообменника

10. Кольцевая камера 86 и цилиндрическая камера 88 во внутренней области цилиндрического сосуда 84 высокого давления соединены трубой 96 с источником 98 текучей среды высокого давления.

В процессе работы текучую среду высокого давления подают от источника 98 текучей среды высокого давления по трубе 96 к кольце вой камере 86 и цилиндрической камере 88 в цилиндрическом сосуде 84 высокого давления. Текучая среда высокого давления в кольцевой камере 86 и цилиндрической камере 88 полностью окружает кольцевой теплообменник 1 0 и прикладывает к кольцевому теплообменнику 1 0 радиальное сжимающее усилие. Радиальное сжимающее усилие, приложенное к кольцевому теплообменнику 1 0, обеспечивает сжатие непрерывных гофрированных листовых элементов 64 и 66 в радиальном направлении, и это позволяет делать кольцевой теплообменник 1 0 без крепления непрерывных гофрированных листовых элементов 64 и 66 к первому и второму непрерывным листовым элементам 1 2 и 1 4 соответственно. Усилия, производимые давлением текучей среды высокого давления в кольцевой камере 86 и цилиндрической камере 88, прикладываются к цилиндрическому сосуду 84 высокого давления, который в соответствии с этим испытывает растяжение.

Преимущество такого теплообменника заключаются в том, что можно сделать кольцевой теплообменник 1 0 без необходимости крепления, например пайкой твердым припоем, непрерывных гофрированных листовых элементов 64 и 66 к первому и второму непрерывным листовым элементам 12 и 14 соответственно. Это позволяет изготавливать теплообменник более быстро и с меньшими затратами. Дополнительным преимуществом является то, что такой теплообменник может работать при более высоких температурах и более высоких давлениях. Другим преимуществом является то, что такой кольцевой теплообменник является безопасным в эксплуатации. При запредельном давлении или перегреве такого кольцевого теплообменника в процессе работы, он скорее покоробится, чем разорвется в отличии от теплообменника известного уровня техники. Кроме того, такой кольцевой теплообменник при перекомпрессии остается герметичным.

Другой теплообменник 1 0, пригодный для применения в качестве промежуточного охладителя, регенератора или рекуператора газотурбинного двигателя, показан на фиг. 10 и 13. Теплообменник 1 0 аналогичен теплообменнику, показанному на фиг. 2, 8 и 9, в том отношении, что кольцевой теплообменник 1 0 содержит первый непрерывный листовой элемент 1 2 и второй непрерывный листовой элемент 1 4, которые свернуты в спираль. Второй непрерывный листовой элемент 14 имеет выступы 67, проходящие в радиальном направлении внутрь или в радиальном направлении наружу, для образования зазора со смежным первым непрерывным листовым элементом 1 2. Непрерывный гофрированный листовой элемент 64 расположен между смежными первым и вторым непрерывными листовыми элементами 1 2 и 1 4. Непрерывный гофрированный листовой элемент 64 вместе с первым и вторым непрерывными листо выми элементами 12 и 14 образовывают каналы для прохождения потока текучей среды. Первый и второй непрерывные листовые элементы 12 и 14 имеют обращенные друг к другу поверхности, а выступы 67 и непрерывный гофрированный листовой элемент 64 образуют зазор между первым и вторым непрерывными листовыми элементами 1 2 и 1 4 соответственно.

Непрерывный гофрированный листовой элемент 64 может быть прикреплен к первому и второму непрерывным листовым элементам 1 2 и 1 4 пайкой твердым припоем, сваркой или посредством получения диффузионного соединения. В альтернативном и предпочтительном варианте осуществления непрерывный гофрированный листовой элемент 64 не крепят к первому и второму непрерывным листовым элементам 1 2 и 1 4 соответственно.

Между наружной поверхностью 90 кольцевого теплообменника 10 и внутренней поверхностью 92 цилиндрического сосуда 84 высокого давления образована кольцевая камера 86, а цилиндрическая камера 88 образована внутренней поверхностью 94 теплообменника 10. Кольцевая камера 86 и цилиндрическая камера 88 во внутренней области цилиндрического сосуда 84 высокого давления соединены трубой 96 с источником 98 текучей среды высокого давления.

Источником текучей среды высокого давления может быть баллон с газом высокого давления, например, газовый баллоном с азотом высокого давления и так далее, источник сжатого воздуха, источник жидкости, находящейся при повышенном давлении. В случае использования теплообменника для газотурбинного двигателя можно использовать газотурбинный двигатель в качестве источника текучей среды высокого давления, например, сжатый воздух может подаваться во внутреннюю область сосуда высокого давления. В случае использования теплообменника для газотурбинного двигателя можно также использовать сжатый воздух, который должен нагреваться, когда текучая среда сжимается во внутренней области сосуда высокого давления. Как следует из фиг. 9, это может быть достигнуто путем обеспечения каналов 42 в теплообменнике 1 0 для соединения с кольцевой камерой 86, но гарантируя при этом отсутствие соединения каналов 44 с кольцевой камерой 86.

В альтернативном варианте осуществления, который не показан, может оказаться возможным расположить упругий элемент в камере вокруг теплообменника. Например, может оказаться возможным расположить резиновый или другой пригодный элемент, например пружины, в камерах между сосудом высокого давления и наружной поверхностью теплообменника.

В качестве другой альтернативы можно расположить, по меньшей мере, один, а предпочтительно множество хомутов вокруг тепло обменника для обеспечения обжатия теплообменника. Хомуты могут обеспечивать обжатие теплообменника в результате их установки по горячей посадке, затяжки болтовых соединений или используя для образования хомутов материал с низким коэффициентом теплового расширения так, чтобы при нагреве теплообменника он расширялся больше, чем хомуты, прикладывая к теплообменнику сжимающее усилие.

Хотя настоящее изобретение описано со ссылками на спиральные теплообменники, имеющие по существу круглое поперечное сечение, в одинаковой степени можно получить аналогичные преимущества, используя непрерывные металлические листовые элементы, намотанные на оправки для получения спиральных теплообменников, имеющих квадратную, прямоугольную, пятиугольную, шестиугольную или восьмиугольную формы поперечного сечения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ изготовления кольцевого теплообменника, согласно которому в двух листах листового материала выполняют параллельные ряды отверстий и сворачивают эти листы в спираль с совмещением отверстий, после чего осуществляют уплотнение краев листов и совмещенных отверстий с получением радиальных каналов для подачи и удаления текучей среды из осевого канала.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что между листами с отверстиями располагают, по меньшей мере, один непрерывный гофрированный листовой элемент.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что один из непрерывных гофрированных листовых элементов располагают между листами и листы свертывают вместе с двумя непрерывными гофрированными листовыми элементами.
4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что уплотнение краев осуществляют пайкой твердым припоем, сваркой или опрессовкой.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что уплотнение, по меньшей мере, одного края осуществляют с получением непрерывного сварного спирального шва.
6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что уплотнение отверстий осуществляют посредством сварки, пайки твердым припоем или опрессовкой.
7. Кольцевой теплообменник, содержащий свернутые в спираль два листа листового материала, в которых выполнены параллельные ряды отверстий, при этом листы свернуты таким образом, что обеспечено совпадение отверстий и образование осевых каналов между поверхностями листов за счет уплотнения краев листов и отверстий и множества радиальных каналов, при этом концы одного осевого канала уплотне ны по краям листов, а концы другого осевого канала открыты, причем, по меньшей мере, один радиальный канал проходит через один или другой лист для подачи первой текучей среды в один осевой канал, и, по меньшей мере, один радиальный канал проходит через один или другой лист для удаления первой текучей среды из одного осевого канала, при этом, по меньшей мере, один радиальный канал для подачи первой текучей среды и, по меньшей мере, один радиальный канал для удаления первой текучей среды отстоят друг от друга в поперечном направлении одного и другого листа.
8. Теплообменник по п.7, отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, один непрерывный гофрированный листовой элемент, расположенный по спирали.
9. Теплообменник по п.8, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один непрерывный гофрированный листовой элемент расположен между одними поверхностями листов.
10. Теплообменник по п.8, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один непрерывный гофрированный листовой элемент расположен между другими поверхностями листов.
11. Теплообменник по любому из пп.8-10, отличающийся тем, что множество радиальных каналов служат для подачи первой текучей среды в один канал, и множество радиальных каналов служат для удаления первой текучей среды из одного канала.
12. Теплообменник по любому из пп.8-11, отличающийся тем, что он имеет множество радиальных каналов, проходящих через второй осевой канал для подачи первой текучей среды между смежными витками спирали, и множество радиальных каналов, проходящих через второй осевой канал для удаления первой текучей среды между смежными витками спирали.
13. Теплообменник по п.8, отличающийся тем, что первый непрерывный гофрированный листовой элемент расположен между одними поверхностями обоих листов, а второй непре рывный гофрированный листовой элемент расположен между другими поверхностями обоих листов.
14. Теплообменник по п.8, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один непрерывный гофрированный листовой элемент имеет краевые зоны и центральную зону, причем расстояние между гофрировками в центральной зоне меньше, чем расстояние между гофрировками в краевых зонах.
15. Теплообменник по любому из пп.7-14, отличающийся тем, что он включает в себя средства для образования, по меньшей мере, одной камеры вокруг теплообменника и средства для создания повышенного давления внутри, по меньшей мере, одной камеры с обеспечением сжатия теплообменника давлением, по меньшей мере, в одной камере и, по меньшей мере, для уменьшения растягивающих усилий, действующих на теплообменник.
16. Теплообменник по п.15, отличающийся тем, что он расположен внутри сосуда высокого давления с образованием, по меньшей мере, одной камеры.
17. Теплообменник по п.15 или 16, отличающийся тем, что средство для создания повышенного давления внутри, по меньшей мере, одной камеры содержит источник текучей среды повышенного давления.
18. Теплообменник по п.17, отличающийся тем, что средство для создания повышенного давления внутри, по меньшей мере, одной камеры содержит баллон со сжатым газом, или газотурбинный двигатель, или компрессор газотурбинного двигателя.
19. Теплообменник по п.15 или 16, отличающийся тем, что средство для создания повышенного давления внутри, по меньшей мере, одной камеры содержит упругое средство, расположенное, по меньшей мере, в одной камере.
20. Теплообменник по п.19, отличающийся тем, что упругое средство содержит резину или множество пружин.