RU225372U1

RU225372U1 - RECOVERY RECOVERY FOR GAS TURBINE ENGINE

Info

Publication number: RU225372U1
Application number: RU2024100982U
Authority: RU
Inventors: Владислав Викторович Еременко; Алексей Евгеньевич Михайлов; Александра Борисовна Михайлова; Максим Олегович Горюхин; Даниил Германович Красноперов
Filing date: 2024-01-16
Publication date: 2024-04-18

Abstract

Полезная модель относится к теплотехнике и может быть использована в технике для подогрева жидких или газообразных сред, например в качестве рекуператора для газотурбинного двигателя. Технический результат - повышение эффективности теплообмена между охлаждаемой и охладительной текучими средами. Рекуператор для газотурбинного двигателя состоит из кольцевых областей входа и выхода воздуха и кольцевых областей входа и выхода отходящего газа из турбины, пространство между которыми заполнено трубками, при этом содержит 48 пар П-образных трубок с возможностью поступления воздуха из области входа в один конец пары трубок и отхода воздуха из области выхода из другого конца пары трубок, расположенных по спирали с шагом отставания 7,5° друг от друга, при этом пространство между кольцевыми областями входа и выхода отходящего из турбины газа разделено выпрямляющими стенками, снабженными стойками крепления в радиальном и тангенциальном направлениях. 4 ил. The utility model relates to heat engineering and can be used in technology for heating liquid or gaseous media, for example, as a recuperator for a gas turbine engine. The technical result is to increase the efficiency of heat exchange between the cooled and cooling fluids. The recuperator for a gas turbine engine consists of annular areas of air inlet and outlet and annular areas of inlet and outlet of exhaust gas from the turbine, the space between which is filled with tubes, and contains 48 pairs of U-shaped tubes with the possibility of air flowing from the inlet area to one end of the pair of tubes and air exhaust from the exit area from the other end of a pair of tubes arranged in a spiral with a lag step of 7.5° from each other, while the space between the annular areas of the inlet and outlet of the gas leaving the turbine is divided by straightening walls equipped with mounting posts in the radial and tangential directions. 4 ill.

Description

Полезная модель относится к теплотехнике и может быть использована в технике для подогрева жидких или газообразных сред, например в качестве рекуператора для газотурбинного двигателя.The utility model relates to heat engineering and can be used in technology for heating liquid or gaseous media, for example, as a recuperator for a gas turbine engine.

Наиболее предпочтительно применение полезной модели в составе газотурбинных двигателей, в частности турбовальных, которые работают в режиме постоянной мощности или частоты вращения, например, на судах, железнодорожном транспорте, электростанциях и т. д.It is most preferable to use the utility model as part of gas turbine engines, in particular turboshaft engines, which operate in constant power or rotational speed mode, for example, on ships, railway transport, power plants, etc.

Рекуператор - это теплообменное устройство, которое позволяет повысить эффективность и экономичность газотурбинных двигателей за счет подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания, теплотой отходящих газов, выходящих из турбины. Рекуператор позволяет уменьшить расход топлива и увеличить мощность двигателя, при этом газы, отходящие из турбины, являются более холодными и с более низкой скоростью по сравнению с традиционными газотурбинными двигателями, поэтому шум и тепловой «след» значительно ниже.A recuperator is a heat exchange device that allows you to increase the efficiency and economy of gas turbine engines by heating the air entering the combustion chamber with the heat of the exhaust gases leaving the turbine. The recuperator reduces fuel consumption and increases engine power, while the gases leaving the turbine are cooler and at a lower speed compared to traditional gas turbine engines, so the noise and thermal footprint are significantly lower.

Принцип работы рекуператора газотурбинного двигателя заключается в том, что отходящие газы, имеющие высокую температуру, проходят через теплообменную поверхность, на которой отдают часть своей теплоты воздуху, циркулирующему в противоток или параллельно потоку газов. Таким образом, выходящий из компрессора воздух нагревается до более высокой температуры, чем он имел бы без рекуператора, и входит в камеру сгорания, где смешивается с топливом и горит. Горячие газы, образовавшиеся при сгорании, расширяются в турбине, приводя ее во вращение, и затем выходят из двигателя через рекуператор.The principle of operation of a gas turbine engine recuperator is that high-temperature exhaust gases pass through a heat exchange surface, on which they give up part of their heat to air circulating countercurrently or parallel to the flow of gases. Thus, the air leaving the compressor is heated to a higher temperature than it would be without the recuperator and enters the combustion chamber, where it mixes with the fuel and burns. The hot combustion gases expand in the turbine, causing it to rotate, and then exit the engine through the recuperator.

Существующие конструкции рекуператоров имеют ряд недостатков, таких как большой вес, габариты, сложность, высокая стоимость, низкая эффективность, недостаточная надежность, склонность к загрязнению и коррозии, высокие тепловые напряжения и т. д.Existing designs of recuperators have a number of disadvantages, such as heavy weight, dimensions, complexity, high cost, low efficiency, insufficient reliability, susceptibility to contamination and corrosion, high thermal stress, etc.

Известно устройство, которое описывает пластинчатый теплообменник, который может использоваться как рекуператор. Пластинчатый теплообменник содержит цилиндрический кожух, в котором размещены теплообменные элементы, выполненные из попарно соединенных по периферийным кромкам гофрированных пластин. Теплообменные элементы имеют внутренние каналы для прохождения теплоносителей. Гофрированные пластины соединяются между собой по периферийным кромкам. В патенте присутствует утверждение, что такой пластинчатый теплообменник имеет высокую теплопередачу, низкое гидравлическое сопротивление и простоту изготовления [патент RU 2755013 C1, F28D 9/02, F28F 9/007, F28F 9/22, опубл. 2021.09.09].A device is known that describes a plate heat exchanger that can be used as a recuperator. The plate heat exchanger contains a cylindrical casing, which houses heat exchange elements made of corrugated plates connected in pairs along the peripheral edges. Heat exchange elements have internal channels for the passage of coolants. The corrugated plates are connected to each other along the peripheral edges. The patent contains a statement that such a plate heat exchanger has high heat transfer, low hydraulic resistance and ease of manufacture [patent RU 2755013 C1, F28D 9/02, F28F 9/007, F28F 9/22, publ. 2021.09.09].

Недостатком данного устройства можно считать необходимость использования качественного теплоносителя, который не содержит абразивных, коррозионных или загрязняющих веществ. В противном случае пластины могут быстро засоряться, что снижает эффективность теплообмена и увеличивает гидравлическое сопротивление. Помимо этого, существует ограниченность диапазона давления и температуры, которые могут выдерживать пластинчатые теплообменники. На нерасчетных режимах при высоких давлениях и температурах пластины могут деформироваться, трескаться или разрушаться.The disadvantage of this device is the need to use high-quality coolant that does not contain abrasive, corrosive or polluting substances. Otherwise, the plates can quickly become clogged, which reduces the efficiency of heat transfer and increases hydraulic resistance. In addition, there is a limitation in the range of pressure and temperature that plate heat exchangers can withstand. In off-design modes at high pressures and temperatures, the plates can be deformed, cracked or destroyed.

Также известно устройство, которое описывает рекуператор для газотурбинного двигателя и способ его изготовления. Рекуператор содержит монолитный теплообменный блок, имеющий две стороны: первая - для прохода сжатого нагреваемого воздуха из компрессора, вторая - для прохода горячих отходящих газов из турбины. Первая и вторая стороны содержат множество каналов ограниченные разделительными пластинами, которые радиально выходят наружу по спиральной схеме, поддерживая постоянное расстояние между соседними пластинами. В патенте присутствует утверждение, что такой рекуператор имеет высокую эффективность теплообмена, низкое гидравлическое сопротивление и простоту конструкции [патент WO 2019118129 A1, F02C 7/141, F28D 21/00, F28D 7/00, F28F 9/02, опубл. 2019.06.20].A device is also known that describes a recuperator for a gas turbine engine and a method for its manufacture. The recuperator contains a monolithic heat exchange block having two sides: the first for the passage of compressed heated air from the compressor, the second for the passage of hot exhaust gases from the turbine. The first and second sides contain multiple channels delimited by separating plates, which extend radially outward in a spiral pattern, maintaining a constant distance between adjacent plates. The patent contains a statement that such a recuperator has high heat transfer efficiency, low hydraulic resistance and simplicity of design [patent WO 2019118129 A1, F02C 7/141, F28D 21/00, F28D 7/00, F28F 9/02, publ. 2019.06.20].

Недостатком данного устройства является трудность технического обслуживания и очистки рекуператора, который является неразъемным. Для этого необходимо разбирать газотурбинный двигатель и проводить продувку теплообменного блока, что может повредить его или уплотнительные прокладки, из чего следует, что при данной конструкции также необходимого использовать теплоноситель повышенного качества.The disadvantage of this device is the difficulty of maintaining and cleaning the recuperator, which is one-piece. To do this, it is necessary to disassemble the gas turbine engine and purify the heat exchange unit, which can damage it or the sealing gaskets, which means that with this design it is also necessary to use a higher quality coolant.

Известно устройство рекуператора для газотурбинного двигателя, которое уменьшает вихревое движение отходящих газов из турбины. Рекуператор содержит каналы для движения в них отходящих газов из турбины, при этом вход в них ориентирован таким образом, чтобы создавать вихревое движение в направлении, противоположном направлению вращения турбины. Рекуператор также содержит каналы для движения в них сжатого воздуха, при этом вход ориентирован таким образом, чтобы создавать вихревое движение в направлении, совпадающем с направлением вращения турбины. Оба типа каналов разделены теплообменными стенками, которые имеют спиральную форму и расположены внутри цилиндрического корпуса. В патенте присутствует утверждение, что такой рекуператор имеет повышенную эффективность теплообмена, уменьшенное гидравлическое сопротивление и упрощенную конструкцию [патент CA 2768905 A1, F02C 7/10, F28D 9/00, F28F 3/02, опубл. 2012.08.28].A recuperator device for a gas turbine engine is known, which reduces the vortex movement of exhaust gases from the turbine. The recuperator contains channels for the movement of exhaust gases from the turbine, and the entrance to them is oriented in such a way as to create a vortex motion in the direction opposite to the direction of rotation of the turbine. The recuperator also contains channels for the movement of compressed air in them, and the inlet is oriented in such a way as to create a vortex movement in the direction coinciding with the direction of rotation of the turbine. Both types of channels are separated by heat exchange walls, which have a spiral shape and are located inside a cylindrical housing. The patent contains a statement that such a recuperator has increased heat exchange efficiency, reduced hydraulic resistance and a simplified design [patent CA 2768905 A1, F02C 7/10, F28D 9/00, F28F 3/02, publ. 2012.08.28].

Недостаток устройства заключаются в том, что оно может иметь высокую сложность и точность изготовления теплообменных стенок, которые имеют спиральную форму и требуют высокоточной обработки и сварки, из-за чего вырастает стоимость изготовления.The disadvantage of the device is that it may have high complexity and precision in manufacturing the heat exchange walls, which have a spiral shape and require high-precision processing and welding, which increases the manufacturing cost.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство турбовального двигателя и рекуператора для такого двигателя. Турбовальный двигатель включает в себя компрессор, выделяющий сжатый воздух в рекуператор через кольцевое соединение, кольцевую камеру сгорания, получающую газы из рекуператора, турбину, из которой происходит отвод отходящих газов. Рекуператор имеет кольцевую форму, состоящую из двух коаксиальных кольцевых пучков. Кольцевые пучки рекуператора со стороны сжатого воздуха заполнены множеством микротрубочек, которые служат для циркуляции через них нагреваемого воздуха, а с другой стороны стенок рекуператора пространство служит для циркуляции горячих газов из турбины. Таким образом, рекуператор обеспечивает эффективный теплообмен между сжатым воздухом и горячими газами, повышая энергетическую эффективность двигателя [патент US 2019277199 A1, F02C 3/06, F02C 7/141, F02C 7/224, F02C 7/32, F28D 7/16, F28F 9/26, опубл. 2019.09.12].The closest in technical essence and achieved result is the design of a turboshaft engine and a recuperator for such an engine. A turboshaft engine includes a compressor that releases compressed air into the recuperator through an annular connection, an annular combustion chamber that receives gases from the recuperator, and a turbine from which exhaust gases are removed. The recuperator has a ring shape, consisting of two coaxial ring bundles. The annular bundles of the recuperator on the compressed air side are filled with many microtubules, which serve to circulate heated air through them, and on the other side of the recuperator walls, the space serves to circulate hot gases from the turbine. Thus, the recuperator provides effective heat exchange between compressed air and hot gases, increasing the energy efficiency of the engine [patent US 2019277199 A1, F02C 3/06, F02C 7/141, F02C 7/224, F02C 7/32, F28D 7/16, F28F 9/26, publ. 2019.09.12].

Недостатком прототипа является чрезмерное загромождение проточной части в области отходящих газов, что может сказаться на надежности работы двигателя.The disadvantage of the prototype is excessive cluttering of the flow path in the area of exhaust gases, which can affect the reliability of the engine.

Задачей полезной модели является разработка конструкции рекуператора для газотурбинного двигателя, которая обеспечит улучшенные значения аэротермических характеристик при эквивалентных габаритах.The objective of the utility model is to develop a recuperator design for a gas turbine engine that will provide improved aerothermal characteristics with equivalent dimensions.

Технический результат - повышение эффективности теплообмена между охлаждаемой и охладительной текучими средами.The technical result is to increase the efficiency of heat exchange between the cooled and cooling fluids.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что рекуператор для газотурбинного двигателя, состоящий из кольцевых областей входа и выхода воздуха и кольцевых областей входа и выхода отходящего газа из турбины, пространство между которыми заполнено трубками, согласно полезной модели содержит 48 пар П-образных трубок с возможностью поступления воздуха из области входа в один конец пары трубок и отхода воздуха из области выхода из другого конца пары трубок, расположенных по спирали с шагом отставания 7,5 градусов друг от друга, при этом пространство между кольцевыми областями входа и выхода отходящего из турбины газа разделено выпрямляющими стенками, снабженными стойками крепления в радиальном и тангенциальном направлениях.The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that the recuperator for a gas turbine engine, consisting of annular areas of air inlet and outlet and annular areas of inlet and outlet of exhaust gas from the turbine, the space between which is filled with tubes, according to the utility model, contains 48 pairs of U-shaped tubes with the possibility of air entering from the inlet area at one end of the pair of tubes and air exhausting from the outlet area from the other end of the pair of tubes, arranged in a spiral with a lag step of 7.5 degrees from each other, while the space between the annular areas of the inlet and outlet of the outgoing The gas turbine is divided by straightening walls equipped with mounting posts in the radial and tangential directions.

Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами. The essence of the claimed utility model is illustrated by graphic materials.

На фиг. 1 показан меридиональный разрез устройства. In fig. Figure 1 shows a meridional section of the device.

На фиг. 2 показан изометрический вид устройства с меридиональным разрезом. In fig. Figure 2 shows an isometric view of the device with a meridional section.

На фиг. 3а изображен вид спереди, на фиг. 3б - вид сзади и 3в - вид сбоку всех пар П-образных трубок устройства. In fig. 3a shows a front view, Fig. 3b - rear view and 3c - side view of all pairs of U-shaped tubes of the device.

На фиг. 4а показан изометрический вид, на фиг. 4б - вид сбоку и на фиг. 4в - вид спереди одной радиально расположенной пары П-образных трубок устройства.In fig. 4a shows an isometric view, Fig. 4b - side view and Fig. 4c is a front view of one radially located pair of U-shaped tubes of the device.

Рекуператор для газотурбинного двигателя содержит кольцевую область входа воздуха 1, П-образные трубки 2, кольцевую область выхода воздуха 3, кольцевую область входа отходящих газов из турбины 4, выпрямляющие стенки 5, стойки крепления в радиальном направлении 6, стойки крепления в тангенциальном направлении 7, кольцевую область выхода отходящего газа из турбины 8.The recuperator for a gas turbine engine contains an annular air inlet area 1, U-shaped tubes 2, an annular air outlet area 3, an annular exhaust gas inlet area from the turbine 4, straightening walls 5, mounting posts in the radial direction 6, mounting posts in the tangential direction 7, annular area where the exhaust gas exits the turbine 8.

Работа рекуператора для газотурбинного двигателя осуществляется следующим образом.The operation of the recuperator for a gas turbine engine is carried out as follows.

Предварительно сжатый в компрессоре воздух поступает в кольцевую область входа воздуха 1, с изменяемой продольной площадью по конусу. Затем воздух распределяется в 48 пар П-образных трубок 2, размещенных с шагом отставания 7,5° друг от друга, чтобы образовывать равномерно заполненное кольцо, при этом трубки выполнены по спирали. При этом происходит интенсивный теплообмен через стенки П-образных трубок между сжатым воздухом из компрессора и расширенным отходящим газом из турбины, которые протекают в перекрестном направлении относительно друг друга.The air pre-compressed in the compressor enters the annular area of the air inlet 1, with a variable longitudinal area along the cone. The air is then distributed into 48 pairs of U-shaped tubes 2, spaced 7.5° apart to form an evenly filled ring, with the tubes arranged in a spiral. In this case, intense heat exchange occurs through the walls of the U-shaped tubes between the compressed air from the compressor and the expanded exhaust gas from the turbine, which flow in a cross direction relative to each other.

Воздух, проходя через П-образные трубки 2, нагревается, т. к. стенки трубок снаружи подвержены обдуву отходящим газом из турбины, выходящим из кольцевой области входа отходящего газа из турбины 4. Нагретый воздух выходит из П-образных трубок 2 в кольцевую область выхода воздуха 3 и далее поступает в камеру сгорания. Отходящий газ из турбины проходит через выпрямляющие стенки 5, которые способствуют его равномерному распределению в проточной части без образования сильных вихрей и срывных зон, что обеспечивает низкие гидравлические потери и улучшенный теплообмен. Помимо этого, выпрямляющие стенки 5 снабжены стойками крепления в радиальном 6 и тангенциальном 7 направлениях, которые укрепляют конструкцию и придают ей жесткость. При прохождении отходящим газом из турбины секции пространства между трубок совершается интенсивный теплообмен, после которого газ поступает в кольцевую область выхода отходящего газа из турбины 8.The air passing through the U-shaped tubes 2 is heated, since the walls of the tubes are exposed to blowing from the outside with exhaust gas from the turbine emerging from the annular area of the exhaust gas inlet from the turbine 4. The heated air exits the U-shaped tubes 2 into the annular exit area air 3 and then enters the combustion chamber. The exhaust gas from the turbine passes through straightening walls 5, which contribute to its uniform distribution in the flow part without the formation of strong vortices and stall zones, which ensures low hydraulic losses and improved heat transfer. In addition, the straightening walls 5 are equipped with fastening posts in the radial 6 and tangential 7 directions, which strengthen the structure and give it rigidity. When the exhaust gas from the turbine passes through the section of space between the tubes, intense heat exchange occurs, after which the gas enters the annular area of the exhaust gas outlet from the turbine 8.

Таким образом, применение рекуператора для газотурбинного двигателя позволяет обеспечить высокий коэффициент теплоотдачи за счет увеличения площади теплообмена между воздухом, проходящим в П-образных трубках, и отходящим газом из турбины, а также за счет выпрямляющих стенок, которые способствуют равномерному распределению отходящего газа из турбины в проточной части без образования сильных вихрей и срывных зон. Кроме того, данная конструкция позволяет не устанавливать дополнительный ряд спрямляющих аппаратов после компрессора, т. к. геометрия трубок учитывает предварительную закрутку, согласованную с направлением потока, что в свою очередь позволяет уменьшить диаметральные габариты и снизить массу. Помимо этого, проведенное численное моделирование газодинамики с учетом теплопроводности показало, что применение данной конструкции рекуператора для газотурбинного двигателя позволяет повысить среднюю температуру в кольцевой области выхода воздуха на ~150 К.Thus, the use of a recuperator for a gas turbine engine makes it possible to ensure a high heat transfer coefficient due to an increase in the heat exchange area between the air passing in the U-shaped tubes and the exhaust gas from the turbine, as well as due to the straightening walls, which contribute to the uniform distribution of the exhaust gas from the turbine into flow path without the formation of strong vortices and stall zones. In addition, this design makes it possible not to install an additional row of straightening devices after the compressor, since the geometry of the tubes takes into account preliminary twisting, consistent with the direction of flow, which in turn makes it possible to reduce diametrical dimensions and reduce weight. In addition, numerical modeling of gas dynamics taking into account thermal conductivity showed that the use of this recuperator design for a gas turbine engine makes it possible to increase the average temperature in the annular region of the air outlet by ~150 K.

Claims

A recuperator for a gas turbine engine, consisting of annular areas of air inlet and outlet and annular areas of inlet and outlet of exhaust gas from the turbine, the space between which is filled with tubes, characterized in that it contains 48 pairs of U-shaped tubes with the possibility of air flowing from the inlet area into one the end of a pair of tubes and the air outlet from the outlet area from the other end of the pair of tubes arranged in a spiral with a lag step of 7.5° from each other, while the space between the annular areas of the inlet and outlet of the gas exhaust from the turbine is divided by straightening walls equipped with mounting posts in radial and tangential directions.