RU1795136C

RU1795136C - Gas turbine engine

Info

Publication number: RU1795136C
Application number: SU904834174A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Владимирович Сударев; Владимир Каймович Дуберштейн; Анатолий Андреевич Кохан
Original assignee: Всесоюзный научно-исследовательский технологический институт энергетического машиностроения
Priority date: 1990-06-05
Filing date: 1990-06-05
Publication date: 1993-02-15

Abstract

Использование: авиадвигателестрое- йие. Сущность изобретени ; турбокомпрессор содержит соединенные общим валом, фмпрессор и газовую турбину, камеру сго- рани с топливной форсункой, соединенную газопроводом с компрессором, и теплообменник , включающий две секции,соединенные газопроводом с камерой сгорани и с газовой турбиной. В секци х теплообменника установлены горизонтальные и вертикальные керамические теплопередающие элементы, закрепленные торцами в керамических стенках и перегородках. Теплопередающие элементы выполнены полыми, внутренн полость которых заполнена металлом . Смесительный теплообменник содержит корпус 20 с патрубками 21 и 22, внутри корпуса установлены перегородки 23,24, 25 и 26, образующие полости Б и Г, Д и Е соответственно. На выходе из полостей Г и Е образованы гребенчатые сопла 29 и 30, расположенные в центральной полости К. 4 з.п. ф-лы. 6 ил, 1 табл. 2J 27 (Л СUsage: aircraft engine. SUMMARY OF THE INVENTION; a turbocompressor comprises a common shaft, a compressor and a gas turbine, a combustion chamber with a fuel nozzle connected by a gas pipeline to a compressor, and a heat exchanger comprising two sections connected by a gas pipeline to a combustion chamber and a gas turbine. In the sections of the heat exchanger, horizontal and vertical ceramic heat transfer elements are installed, fixed to the ends in the ceramic walls and partitions. The heat transfer elements are hollow, the internal cavity of which is filled with metal. The mixing heat exchanger comprises a housing 20 with nozzles 21 and 22; baffles 23.24, 25 and 26 are installed inside the housing, forming cavities B and D, D and E, respectively. At the exit from cavities G and E, comb nozzles 29 and 30 are formed, located in the central cavity K. 4 zp f-ly. 6 silt, 1 tab. 2J 27 (L C

Description

Изобретение относитс к газотурбостроению , в частности к конструкци м керамических ГТД с выносной камерой сгорани (КС). .The invention relates to gas turbine construction, in particular to designs of ceramic gas turbine engines with an external combustion chamber (KS). .

Известна конструкци ГТД с выносной КС. В описанном ГТД выносна КС расположена отдельно от компрессора и турбины и соединена с ними газопроводами. Подаваемые от КС рабочие газы в поперечном сече- .(нии имеют неравномерное поле температур (например 1500-1300°С), при средней температуре потока 14QQ°C. Керамические сопла ГТД имеют предельную температуру 1400°С. Дл обеспечени надежной работы сопел на выходе КС образуют поток газа с максимальной локальной температурой не более 1400°С при средней температуре 1300°С, Все это приводит к снижению экономичности ГТД и его надежности.A design of a gas turbine engine with an external compressor is known. In the described gas turbine engine, the external compressor station is located separately from the compressor and turbine and is connected to them by gas pipelines. The working gases supplied by the compressor in the cross section (they have an uneven temperature field (for example, 1500-1300 ° C), with an average flow temperature of 14QQ ° C. Ceramic gas turbine nozzles have a limit temperature of 1400 ° C. To ensure reliable operation of the nozzles at the outlet KS form a gas flow with a maximum local temperature of not more than 1400 ° C at an average temperature of 1300 ° C. All this leads to a decrease in the efficiency of the gas turbine engine and its reliability.

Известен также ГТД, где на выходе КС предусмотрен вращающийс диск с отверсти ми , соосными с жаровыми трубами КС. ГТД имеет сложную конструкцию и неравномерное температурное поле на выходе камеры сгорани ,A gas turbine engine is also known, where a rotary disk with holes coaxial with the heat pipes of the KS is provided at the output of the COP. A gas turbine engine has a complex structure and an uneven temperature field at the outlet of the combustion chamber,

Наиболее .близким техническим решением , прин тым за прототип изобретени , вл етс ГТД, работающий на твердом топливе (торфе), ГТД содержит компрессор, газовую турбину, камеру сгорани дл частиц торфа, снабженную металлическим теплообменником (ТО) дл нагрева твердого топлива , сообщающегос на выходе с газовой турбиной, За счет наличи ТО снижают температуру газа, поступающего на турбину. Описанный ГТД имеет недостаточную экономичность из-за низкой температуры газа и неравномерное поле температур газа на входе в турбину, что снижает надежность ГТД.The closest technical solution adopted for the prototype of the invention is a gas turbine engine running on solid fuel (peat), a gas turbine engine contains a compressor, a gas turbine, a combustion chamber for peat particles, equipped with a metal heat exchanger (TO) for heating solid fuel communicating with the outlet with a gas turbine, due to the presence of TO reduce the temperature of the gas entering the turbine. The described gas turbine engine has insufficient efficiency due to the low gas temperature and the uneven field of gas temperatures at the turbine inlet, which reduces the reliability of the gas turbine engine.

Цель изобретени - повышение экономичности и эксплуатационной надежности керамического газотурбинного двигател .The purpose of the invention is to increase the efficiency and operational reliability of a ceramic gas turbine engine.

Цель изобретени достигаетс тем, что газотурбинный двигатель, содержащий последовательно подключенные по газу компрессор , камеру сгорани , теплообменник с расположенными в корпусе тёплообменны- ми элементами и турбину согласно изобретению . Корпус ТО выполнен из керамики и снабжен дополнительно перегородками дл закреплени теплообменных элементов, которые выполнены с обтекаемым профилем.The object of the invention is achieved in that a gas turbine engine comprising a gas compressor, a combustion chamber, a heat exchanger with heat exchange elements located in the housing, and a turbine according to the invention. The maintenance casing is made of ceramic and is additionally provided with partitions for securing the heat-exchange elements, which are made with a streamlined profile.

Теплообменник по ходу газа содержит как вертикальные, так и горизонтальные теплообменные элементы.The heat exchanger along the gas contains both vertical and horizontal heat exchange elements.

Внутренние полости теплообменных элементов выполнены замкнутыми и глухими и заполнены теплоаккумулирующим веществом , например металлом,The internal cavity of the heat exchange elements is closed and deaf and filled with a heat-accumulating substance, such as metal,

При этом в ТО перегородки установлены наклонно к горизонтальной плоскости с образованием раздающих и собирающих коллекторов, сообщенных соответственно сIn this case, the partitions are installed obliquely to the horizontal plane with the formation of distributing and collecting collectors communicated respectively with

входными концами теплообменных элементов , а собирающие коллекторы на выходе снабжены пр моугольными вертикальными соплами, расположенными в виде гребней в центральной части корпуса.the input ends of the heat exchange elements, and the collecting collectors at the outlet are provided with rectangular vertical nozzles located in the form of ridges in the central part of the housing.

0 На фиг.1 изображена обща схема турбокомпрессора ГТД; на фиг. 2 и 3 устройство конвективного теплообменника (ТО) камеры сгорани , на фиг.4- устройство теплопередающей керамической трубы, за5 полненной жидкометаллическим теплоносителем; на фиг. 5 и 6 - устройство смесительного теплообменника.0 Fig. 1 shows a general diagram of a gas turbine compressor; in FIG. 2 and 3, the device of the convective heat exchanger (TO) of the combustion chamber, Fig. 4 is a device of a heat transfer ceramic pipe filled with a liquid metal coolant; in FIG. 5 and 6 - device mixing heat exchanger.

Турбокомпрессор содержит соединенные валом 1 компрессор 2 и турбину 3 высо0 кого давлени (КВД и ТВ Д), камеру сгорани (КС) 4 с топливной форсункой 5, соединенную , газопроводом 6 с КВД 2, и теплообменник (ТО) 7, включающий секции 8 и 9, соединенные газовыми патрубками 10 и 11The turbocharger contains a compressor 2 connected by a shaft 1 and a high pressure turbine 3 (HPC and TV D), a combustion chamber (KS) 4 with a fuel nozzle 5 connected by a gas pipeline 6 to the HPC 2, and a heat exchanger (TO) 7, including sections 8 and 9, connected by gas pipes 10 and 11

5 с КС 4 и с ТВД 3. В секци х 8 и 9 ТО установлены соответственно горизонтальные 12 и вертикальные 13теплопередающие элементы (ТПЭ). ТО 7 содержит наружный металли- ческий кожух 14, керамические стенки5 with KS 4 and TVD 3. In sections 8 and 9 of the maintenance, horizontal 12 and vertical 13 heat transfer elements (TPE) are installed, respectively. TO 7 contains an outer metal casing 14, ceramic walls

0 (корпус) 15 и осевую перегородку 16, в кото- рых 15 и 16 торцами 17 закреплены ТПЭ 12, 13с теплопередающими боковыми поверхност ми 18. ТПЭ могут быть выполнены полыми , внутренн полость А которого0 (case) 15 and axial baffle 16, in which 15 and 16 ends 17 are fixed TPE 12, 13 with heat-transmitting side surfaces 18. TPE can be made hollow, the internal cavity And which

5 заполнена металлом 19, с температурой плавлени , равной средней температуре газа на выходе КС,5 is filled with metal 19, with a melting temperature equal to the average temperature of the gas at the outlet of the COP,

Керамический смесительный ТО содержит корпус 20 с выходным 21 и входным 22Ceramic mixing TO contains a housing 20 with an output 21 and an input 22

0 патрубками. Внутри ТО расположены горизонтальные наклонные перегородки 23, 24, 25 и 26 и трубы 27 и 28, закрепленные концами в перегородках. Трубы 27 на входе и выходе сообщены с полост ми Б и-Г, обра5 зеванными перегородками 25, 26 и 23, корпусом 20, а трубы 28 соответственно сообщены с полост ми Д и Е, образованными перегородками 23, 24 и 26, корпусом 20. Центральна полость К образована перего0 родками 24, 25 и включает трубы 27 и 28. Полости Г и Е на выходе снабжены соплами 29 и 30, расположенными в виде гребней в центральной полости К. Патрубки 21 и 22 снабжены соединительным фланцем 31.0 nozzles. Inside the TO are horizontal inclined partitions 23, 24, 25 and 26 and pipes 27 and 28, fixed by the ends in the partitions. Pipes 27 at the inlet and outlet are in communication with cavities B and D, formed by baffles 25, 26 and 23, housing 20, and pipes 28, respectively, are connected with cavities D and E formed by baffles 23, 24 and 26, housing 20. The central cavity K is formed by partitions 24, 25 and includes pipes 27 and 28. The cavities G and E at the outlet are equipped with nozzles 29 and 30 located in the form of ridges in the central cavity K. The pipes 21 and 22 are equipped with a connecting flange 31.

5 Предложенна конструкци ГТД работает следующим образом.5 The proposed design of a gas turbine engine operates as follows.

В работающем ГТД за счет подачи сжатого воздуха, топлива и сжигани последнего в камере сгорани образуют рабочие высокотемпературные газы. За счет неравномерного распределени топлива и воздуха по сечению и объема КС, ее особенностей и характеристик в КС образуютс газовые Потоки с различной температурой, например гор чего, Тгг и холодного, Тгх, газа ТГг 1500°С, ТГх 1300°С. То есть со средней температурой газа ТСр. 1400°С и разбросом температур Трз 2000С. Затем разнотемпе- рат.урные потоки газа поступают в секции 8 и 9 ТО 7, где омывают наружные поверхности 18 ТПЭ 12, 13, За счет этого происходит передача тепла от гор чих к холодным потокам газа как по горизонтальным 12, так и по вертикальным ТПЭ 13. В результате происходит снижение и повышение температуры гор чего и холодного потока га- За, например до 1450°С и 1350°С и снижение разброса температур Тр3 100°С. Более эффективно происходит теплообмен между разнотемпературными потоками газа при использовании о ТО ТПЭ, заполнен- ных расплавленным металлом с температурой плавлени , равной средней температуре (Tcp.14000C) рабочих газов. Во втором варианте со смесительным ТО рабочие газы, поступающие в полости Д и Б, через входные полости труб 28 и 27 отвод тс противоположно направленными потоками в полости Е и Г. При этом газы, поступившие в центральную полость К, омыва снаружи трубы 27, 28 отвод тс к выходу (патрубку 21). За счетобтекани труб 27, 28 изнутри и снаружи разнотемпературными потоками газа происходит их конвек- тивна теплоотдача. Затем газы из полостей Г и Е поступают в гребенчатые сопла 29 и 30, В итоге в патрубке 21 происходит смешение трех потоков газа из полостей Г, К и Е, за счет чего снижаетс разброс температур газа. В предложенных конструкци х ТО могут быть использованы керамические тепловые трубы. При организации в них устойчивой теплопередачи обеспечиваетс высокоэффективна работа теплообменника на выходе КС и разброс температурного пол рабочих газов может быть снижен до 30-50°С.In a working gas turbine engine, due to the supply of compressed air, fuel, and combustion of the latter, working high-temperature gases are formed in the combustion chamber. Due to the uneven distribution of fuel and air over the cross section and volume of the compressor, its features and characteristics, gas flows with different temperatures are formed in the compressor, for example, hot, Tmg and cold, Tgx, gas Tgg 1500 ° C, Tgx 1300 ° C. That is, with an average gas temperature TSR. 1400 ° С and temperature dispersion Трз 2000С. Then, different temperature gas flows arrive in sections 8 and 9 of TO 7, where the outer surfaces 18 of TPE 12, 13 are washed. Due to this, heat is transferred from hot to cold gas flows both along horizontal 12 and vertical TPE 13. As a result, the temperature of hot and cold gas flows decreases and rises, for example, to 1450 ° С and 1350 ° С and the temperature dispersion Tr3 decreases to 100 ° С. Heat transfer between gas flows of different temperatures occurs more efficiently when using TPE TPE filled with molten metal with a melting temperature equal to the average temperature (Tcp.14000C) of the working gases. In the second variant with mixing maintenance, the working gases entering the cavities D and B, through the inlet cavities of the pipes 28 and 27 are discharged by oppositely directed flows into the cavities E and G. At the same time, the gases entering the central cavity K are washed outside the pipes 27, 28 outlet tc to the outlet (pipe 21). Due to the flow of pipes 27, 28 from the inside and outside by different-temperature gas flows, their convective heat transfer occurs. Then the gases from the cavities G and E enter the comb nozzles 29 and 30. As a result, in the nozzle 21, three gas flows from the cavities G, K and E are mixed, thereby reducing the temperature dispersion of the gas. Ceramic heat pipes may be used in the proposed TO designs. When stable heat transfer is organized in them, a highly efficient operation of the heat exchanger at the outlet of the compressor station is ensured and the spread of the temperature field of the working gases can be reduced to 30-50 ° C.

Следует отметить, что скорости рабочего газа в полост х описанных керамических теплообменников составл ют не более 100 м/с и практически на пор док меньше, чемIt should be noted that the working gas velocities in the cavities of the described ceramic heat exchangers are no more than 100 m / s and are almost an order of magnitude less than

в соплах турбины. При этом, перепад давлени (сопротивлени ) ТО, не говор о каждом теплопередающем элементе, составл ет не.более 0,4-0,6 кг/см (в соплах турбин 10-20 кг/см2). Из этого следует, чтоin the nozzles of the turbine. At the same time, the pressure drop (resistance) of TO, not to mention each heat transfer element, is no more than 0.4-0.6 kg / cm (in the nozzles of turbines 10-20 kg / cm2). It follows that

элементы ТО испытывают значительно меньше механические нагрузки чем элементы сопел турбины. Поэтому при изготовлении ТО и сопел из одного материала первые без разрушени могут выдержать большуюTO elements experience significantly less mechanical stress than elements of turbine nozzles. Therefore, in the manufacture of MOT and nozzles from the same material, the former can withstand a large

температуру, например на 100°С. Известно, что КПД ГТУ расчетным путем определ ют по значению Тср. рабочего газа:temperature, for example 100 ° C. It is known that the efficiency of gas turbines is calculated by the value of Tav. working gas:

ТсР.0,5/Тгг+Тгх),Tsr. 0.5 / Tgg + Tgh),

Дл нагл дности рассмотрим численный пример определени Тер. р рабочего газа дл прототипа и изобретени при предельно допустимой температуре материала элементов сопел и теплообменника ТПр 1450°С и 1500 дл прототипа и изобретени (см. таблицу).For clarity, consider a numerical example of the definition of Ter. p of working gas for the prototype and invention at the maximum allowable temperature of the material of the nozzle elements and heat exchanger TPr 1450 ° C and 1500 for the prototype and invention (see table).

Как следует из таблицы, использование на выходе камеры сгорани керамического ТО снижение за счет этого разброса температур газа повышает его среднюю температуру на такую же величину. В насто щее врем величина Трз дл керамических ГТД при Тср 1300-1500°С составл ет около 200°С.As follows from the table, the use of ceramic TO at the outlet of the combustion chamber decreases due to this variation in gas temperatures, its average temperature increases by the same amount. At present, the Tg value for ceramic gas turbine engines at Tav 1300-1500 ° C is about 200 ° C.

Преимущества изобретени по сравнению с прототипом заключаютс в том, что за счет наличи на выходе камеры сгорани керамического.теплообменника и осуществлени в нем теплообмена между разнотемпературными потоками рабочего газаThe advantages of the invention in comparison with the prototype are that due to the presence of a ceramic heat exchanger at the outlet of the combustion chamber and the implementation of heat exchange between the different temperature flows of the working gas

снижаетс локальный разброс температур и повышаетс равномерность температурного пол газа, поступающего в турбину, что позвол ет повысить среднюю температуру газа при посто нной предельно допустимойthe local temperature spread decreases and the uniformity of the temperature field of the gas entering the turbine increases, which makes it possible to increase the average gas temperature with a constant maximum permissible

температуре материала турбины. Все это повышает надежность и экономичность ГТД.turbine material temperature. All this increases the reliability and efficiency of a gas turbine engine.

Claims

Formula 1, A gas turbine engine comprising a gas compressor, a combustion chamber, a heat exchanger with heat exchange elements located in the housing and a turbine, characterized in that, in order to increase economy and operational reliability, the heat exchanger housing is made of ceramic and is additionally provided with baffles for fixing heat exchange elements, the latter having a streamlined profile.

2. The engine according to claim 1, with the exception that the heat exchanger additionally contains a series of horizontal heat-exchange elements.

3. The engine according to claim 1, with the fact that the cavity of the heat exchanger elements are closed and filled

heat-accumulating substance, for example metal.

4. The engine according to claim 1, on the basis of which the partitions are mounted obliquely to the horizontal plane with the formation of distributing and collecting manifolds, respectively communicated with

Ramp.

bo% x

input and output ends of heat exchange elements.

5. The engine according to claims 1 and 4, characterized in that the collecting manifolds at the outlet are provided with rectangular vertical nozzles located in the form of ridges in the central part of the housing.

i

./

14

sixteen

/ 3

fifteen

I AM

31 29