RU2818441C1 - Газотурбинный двигатель с регенерацией тепла - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в качестве малогабаритных двигателей и энергетических установок для летательных аппаратов, наземных транспортных средств и стационарных узлов. Газотурбинный двигатель с регенерацией тепла, содержащий лопаточный компрессор с приводной турбиной, свободную турбину с валом привода потребителя, кольцевую камеру сгорания с жаровой трубой и с каналом подвода воздуха в камеру сгорания, расположенную соосно с лопаточным компрессором, выхлопной газопровод и модульный рекуперативный теплообменник с кольцевым корпусом, расположенным соосно с кольцевой камерой сгорания и имеющим внутренний газовый коллектор, подключенный к выходу свободной турбины, внешний газовый коллектор, подключенный к выхлопному газопроводу, боковой воздушный коллектор, подключенный к выходу лопаточного компрессора, и боковую крышку, расположенную на стороне кольцевого корпуса, противоположной относительно бокового воздушного коллектора, причем модули рекуперативного теплообменника выполнены прямоугольной формы и равномерно установлены по окружности кольцевого корпуса с образованием между ними замкнутых полостей, а каждый модуль имеет пластинчатую теплообменную матрицу, подключенную газовыми каналами к внутреннему и внешнему газовым коллекторам, а воздушными каналами - к боковому воздушному коллектору и к каналу подвода воздуха в камеру сгорания. Кольцевой корпус рекуперативного теплообменника расположен коаксиально относительно кольцевой камеры сгорания, а его боковая крышка снабжена поворотным каналом, подключенным к воздушным каналам теплообменных матриц модулей рекуперативного теплообменника и к замкнутым полостям кольцевого корпуса, внутренние стенки которых снабжены окнами для сообщения замкнутых полостей с каналом подвода воздуха в камеру сгорания. Техническим результатом изобретения является улучшение массогабаритных характеристик двигателя и повышение его экономических показателей за счет снижения гидравлических и тепловых потерь, а также за счет стабилизации рабочего процесса в жаровой трубе камеры сгорания. 8 ил.

Description

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в качестве малогабаритных двигателей и энергетических установок для летательных аппаратов, наземных транспортных средств и стационарных энергоузлов.

Известен газотурбинный двигатель с регенерацией тепла, содержащий лопаточный компрессор с приводной турбиной, свободную турбину с валом привода потребителя, камеру сгорания с жаровой трубой и с каналом подвода воздуха в камеру сгорания, выхлопной газопровод и модульный рекуперативный теплообменник с кольцевым корпусом, имеющим внутренний газовый коллектор, подключенный к выходу свободной турбины, внешний газовый коллектор, подключенный к выхлопному газопроводу, боковой воздушный коллектор, подключенный к выходу лопаточного компрессора и боковую крышку, расположенную на стороне кольцевого корпуса, противоположной относительно бокового воздушного коллектора, причем модули рекуперативного теплообменника выполнены прямоугольной формы и равномерно установлены по окружности кольцевого корпуса, а каждый модуль имеет пластинчатую теплообменную матрицу, подключенную газовыми каналами к внутреннему и внешнему газовым коллекторам, а воздушными каналами - к боковому воздушному коллектору и к каналу подвода воздуха в камеру сгорания, (патент РФ №2563079, 2014 г.).

Известный газотурбинный двигатель выполнен с трубчато-кольцевой камерой сгорания, жаровые трубы которой расположены между модулями рекуперативного теплообменника. При такой компоновке двигателя сжатый воздух проходит через рекуперативный теплообменник только в одном направлении и на выходе из теплообменной матрицы направляется в канал подвода воздуха к жаровым трубам камеры сгорания, расположенный в боковой крышке кольцевого корпуса. При этом снижение габаритных параметров двигателя приводит к снижению экономических параметров двигателя в связи с повышением тепловых и гидравлических потерь и повышением неравномерности потока воздуха, подаваемого в камеру сгорания.

Известен газотурбинный двигатель с регенерацией тепла, содержащий лопаточный компрессор с приводной турбиной, свободную турбину с валом привода потребителя, кольцевую камеру сгорания с жаровой трубой и с каналом подвода воздуха в камеру сгорания, расположенную соосно с лопаточным компрессором, выхлопной газопровод и рекуперативный теплообменник с кольцевым корпусом, расположенным соосно с кольцевой камерой сгорания и имеющим внутренний газовый коллектор, подключенный к выходу свободной турбины, внешний газовый коллектор, подключенный к выхлопному газопроводу, боковой воздушный коллектор, подключенный к выходу лопаточного компрессора и боковую крышку, расположенную на стороне кольцевого корпуса, противоположной относительно бокового воздушного коллектора (патент США №9068506, 2015 г.)

В известном двигателе рекуперативный теплообменник выполнен не в виде отдельных модулей, равномерно расположенных по окружности корпуса, а в виде отдельных пластин, уложенных одна на другую по всей окружности кольцевого выхлопного газопровода.

Такое выполнение рекуперативного теплообменника приводит к существенному усложнению его конструкции, в частности, усложняет конструкцию бокового воздушного коллектора и боковой крышки и их систему герметизации. Кроме того, при таком исполнении теплообменника существенно увеличиваются массогабаритные характеристики двигателя, в частности, осевой размер двигателя увеличивается на величину осевого размера рекуперативного теплообменника

Наиболее близким по технической сути аналогом изобретения является газотурбинный двигатель с регенерацией тепла, содержащий лопаточный компрессор с приводной турбиной, свободную турбину с валом привода потребителя, кольцевую камеру сгорания с жаровой трубой и с каналом подвода воздуха в камеру сгорания, расположенную соосно с лопаточным компрессором, выхлопной газопровод и модульный рекуперативный теплообменник с кольцевым корпусом, расположенным соосно с кольцевой камерой сгорания и имеющим внутренний газовый коллектор, подключенный к выходу свободной турбины, внешний газовый коллектор, подключенный к выхлопному газопроводу, боковой воздушный коллектор, подключенный к выходу лопаточного компрессора и боковую крышку, расположенную на стороне кольцевого корпуса, противоположной относительно бокового воздушного коллектора, причем модули рекуперативного теплообменника выполнены прямоугольной формы и равномерно установлены по окружности кольцевого корпуса с образованием между ними замкнутых полостей, а каждый модуль имеет пластинчатую теплообменную матрицу, подключенную газовыми каналами к внутреннему и внешнему газовым коллекторам, а воздушными каналами - к боковому воздушному коллектору и к каналу подвода воздуха в камеру сгорания (патент США №9724746, 2017 г.).

В известном двигателе за счет модульного выполнения рекуперативного теплообменника обеспечивается достаточно высокая степень рекуперации тепла отработавших газов. Однако габаритные характеристики двигателя далеки от оптимальных - увеличение диаметральных габаритов двигателя связано с тем, что межмодульное пространство в виде замкнутых полостей в кольцевом корпусе рекуперативного теплообменника практически не используется для теплообмена, а к увеличению осевых размеров двигателя приводит расположение рекуперативного теплообменника в выхлопном газопроводе.

Кроме того, для отвода в камеру сгорания сжатого воздуха, нагретого в рекуперативном теплообменнике, расположенном в выхлопном газопроводе двигателя, в известном двигателе предусмотрен отводящий канал, что приводит к дополнительным гидравлическим и тепловым потерям в этом канале и тем самым снижает эффективные показатели двигателя.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является снижение диаметральных и осевых габаритов двигателя и повышение его экономических показателей за счет снижения гидравлических и тепловых потерь, а также за счет стабилизации рабочего процесса в жаровой трубе камеры сгорания.

Техническим результатом изобретения является улучшение массогабаритных характеристик двигателя и повышение его экономических показателей за счет снижения гидравлических и тепловых потерь, а также за счет стабилизации рабочего процесса в жаровой трубе камеры сгорания.

Технический результат достигается за счет того, что газотурбинный двигатель с регенерацией тепла, содержащий лопаточный компрессор с приводной турбиной, свободную турбину с валом привода потребителя, кольцевую камеру сгорания с жаровой трубой и с каналом подвода воздуха в камеру сгорания, расположенную соосно с лопаточным компрессором, выхлопной газопровод и модульный рекуперативный теплообменник с кольцевым корпусом, расположенным соосно с кольцевой камерой сгорания и имеющим внутренний газовый коллектор, подключенный к выходу свободной турбины, внешний газовый коллектор, подключенный к выхлопному газопроводу, боковой воздушный коллектор, подключенный к выходу лопаточного компрессора и боковую крышку, расположенную на стороне кольцевого корпуса, противоположной относительно бокового воздушного коллектора, причем модули рекуперативного теплообменника выполнены прямоугольной формы и равномерно установлены по окружности кольцевого корпуса с образованием между ними замкнутых полостей, а каждый модуль имеет пластинчатую теплообменную матрицу, подключенную газовыми каналами к внутреннему и внешнему газовым коллекторам, а воздушными каналами - к боковому воздушному коллектору и к каналу подвода воздуха в камеру сгорания. Кольцевой корпус рекуперативного теплообменника расположен коаксиально относительно кольцевой камеры сгорания, а его боковая крышка снабжена поворотным каналом, подключенным к воздушным каналам теплообменных матриц модулей рекуперативного теплообменника и к замкнутым полостям кольцевого корпуса, внутренние стенки которых снабжены окнами для сообщения замкнутых полостей с каналом подвода воздуха в камеру сгорания.

Существенность отличительных признаков газотурбинного двигателя с регенерацией тепла подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающая изобретение, позволяет обеспечить достижение технического результата изобретения - улучшение массогабаритных характеристик двигателя и повышение его экономических показателей за счет снижения гидравлических и тепловых потерь, а также за счет стабилизации рабочего процесса в жаровой трубе камеры сгорания.

Предложенное изобретение поясняется описанием конструкции газотурбинного двигателя и его работы со ссылкой на чертежи, где:

на фиг. 1 представлен общий вид газотурбинного двигателя в изометрии;

на фиг. 2 показан вид газотурбинного двигателя в продольном сечении;

на фиг. 3 показан вид газотурбинного двигателя в сечении А-А на фиг. 2;

на фиг. 4 показан вид газотурбинного двигателя в сечении Б-Б на фиг. 3;

на фиг. 5 показан вид спереди на модуль рекуперативного теплообменника;

на фиг. 6 представлен вариант выполнения модуля в виде единой детали с замкнутой полостью;

на фиг. 7 показан вид В на модуль рекуперативного теплообменника на фиг. 6;

на фиг. 8 показана прямоугольная пластина теплообменной матрицы.

Газотурбинный двигатель с регенерацией тепла содержит корпус 1, лопаточный компрессор 2 с приводной турбиной 3, свободную турбину 4 с валом 5 привода потребителя, кольцевую камеру сгорания 6 с жаровой трубой 7 и с каналом 8 подвода воздуха в кольцевую камеру сгорания 6, расположенную соосно с лопаточным компрессором 2, и выхлопной газопровод 9 (фиг. 1).

На корпусе 1 газотурбинного двигателя установлен модульный рекуперативный теплообменник 10 с кольцевым корпусом 11, расположенным коаксиально относительно кольцевой камерой сгорания 6 и имеющим внутренний газовый коллектор 12, подключенный к выходу свободной турбины 4, внешний газовый коллектор 13, подключенный к выхлопному газопроводу 9, боковой воздушный коллектор 14, подключенный к выходу лопаточного компрессора 2 и боковую крышку 15, расположенную на стороне кольцевого корпуса 11, противоположной относительно бокового воздушного коллектора 14 (фиг. 2).

Модули 16 рекуперативного теплообменника 10 выполнены прямоугольной формы и равномерно установлены по окружности кольцевого корпуса 11 (фиг. 3) с образованием между ними замкнутых полостей 17, причем каждый модуль 16 имеет пластинчатую теплообменную матрицу 18, подключенную газовыми каналами (на чертеже не показаны) к внутреннему газовому коллектору 12 и внешнему газовому коллектору 13, а воздушными каналами (на чертеже не показаны) - к боковому воздушному коллектору 14 и к каналу 8 подвода воздуха в кольцевую камеру сгорания 6.

Кольцевой корпус 11 рекуперативного теплообменника 10 расположен коаксиально относительно кольцевой камеры сгорания 6, а его боковая крышка 15 снабжена поворотным каналом 19 (фиг. 4), подключенным к воздушным каналам пластинчатых теплообменных матриц 18 модулей 16 рекуперативного теплообменника 10 и к замкнутым полостям 17 кольцевого корпуса 11, внутренние стенки 20 которых снабжены окнами 21 для сообщения замкнутых полостей 17 с каналом 8 подвода воздуха в кольцевую камеру сгорания 6.

Рекуперативный теплообменник 10 состоит из восьми идентичных модулей 16, в каждом из которых установлена пластинчатая теплообменная матрица 18, посредством которой осуществляется передача тепла от выхлопных газов сжатому воздуху, подаваемому в кольцевую камеру сгорания 6.

Модуль 16 (фиг. 5) представляет собой сварную конструкцию, состоящую из переднего фланца 22 и заднего фланца 23 (фиг. 6), между которыми установлены боковые стенки 24, прилегающие по бокам к пластинчатой теплообменной матрице 18, наружная стенка 25 и внутренняя стенка 26, формирующие совместно с фланцами 22 и 23 полость теплообмена. На наружной стенке 25 и внутренней стенке 26 модуля 16 (фиг. 7) выполнены вырезы 27 для сообщения газовых каналов пластинчатой теплообменной матрицы 18 соответственно с внешним газовым коллектором 13 и с внутренним газовым коллектором 12.

Конструктивно модуль 16 может быть выполнен в виде единой детали с замкнутой полостью 17, которая образована в этом случае одной из боковых стенок 24 модуля 16, боковой стенкой 28 замкнутой полости 17, внешней стенкой 29 и внутренней стенкой 20 замкнутой полости 17. При этом, внутренние стенки 26 модулей 16 и внутренние стенки 20 замкнутых полостей 17 образуют наружный кожух кольцевой камеры сгорания 6, что обеспечивает снижение массы и позволяет осуществить через нее дополнительный нагрев сжатого воздуха в канале 8 подвода воздуха в кольцевую камеру сгорания 6.

Передний фланец 22 представляет собой листовую деталь с отверстием, соответствующим по размеру геометрии пластинчатой теплообменной матрицы 18. Задний фланец 23 также представляет собой листовую деталь, отверстие в которой соответствует размерам поворотного канала 19.

Подвод сжатого воздуха от лопаточного компрессора 2 к пластинчатой теплообменной матрице 18 осуществляется через боковой воздушный коллектор 14, выполненный в виде двух листовых деталей сферической формы, установленных на корпусе 1 газотурбинного двигателя и состыкованных с передним фланцем 22 рекуперативного теплообменника 10.

Подвод отработавших газов от свободной турбины 4 к рекуперативному теплообменнику 10 осуществляется через внутренний газовый коллектор 12, который состоит из двух кольцевых деталей сферической формы, установленных соосно с валом 5 привода потребителя и состыкованных с одной стороны с выходом свободной турбины 4, а с другой стороны внутренними стенками 26 модулей 16 и внутренними стенками 20 замкнутых полостей 17.

Пластинчатая теплообменная матрица 18 представляет собой блок из пакета прямоугольных пластин 30, жестко связанных между собой и состоящих каждая из двух соединенных между собой листов 31 с волнообразным профилем поперечного сечения (фиг. 8). Пластинчатая теплообменная матрица 18 приваривается одной стороной к переднему фланцу 22 по линии, описывающей ее входное сечение для потока сжатого воздуха, а другой стороной устанавливается на заднем фланце 23, причем крепление к нему может быть также неразъемным с элементами компенсации температурных расширений.

Пластинчатая теплообменная матрица 18 установлена в модуле 16 таким образом, чтобы между ней и внутренней стенкой 26 образован канал 32 подвода отработавших газов, а между ней и наружной стенкой 25 - канал 33 отвода отработавших газов во внешний газовый коллектор 13. По боковым сторонам пластинчатая теплообменная матрица 18 ограничивается боковыми стенками 24 модуля 16. Пластинчатая теплообменная матрица 18 может выполняться с различной геометрией теплообменной поверхности листов 31, например, с гофрированной теплообменной поверхностью.

Регенерация тепла при работе газотурбинного двигателя осуществляется следующим образом.

Отработавшие газы из свободной турбины 4 через боковой воздушный коллектор 14 направляются в каналы 32 подвода отработавших газов каждого модуля 16 рекуперативного теплообменника 10, в которых равномерно распределяются по длине пластинчатой теплообменной матрицы 18 и поступают к теплообменным поверхностям листов 31. Тепло отработавших газов через теплообменные поверхности листов 31 передается сжатому воздуху, проходящему через воздушные каналы пластинчатой теплообменной матрицы 18, кроме того этим теплом нагреваются боковые стенки 24 и внутренние стенки 26 модулей 16. После прохождения через пластинчатую теплообменную матрицу 18 отработавшие газы через канал 33 отвода отработавших газов поступают во внешний газовый коллектор 13, из которого через выхлопной газопровод 9 выпускаются в окружающую среду.

Сжатый воздух из лопаточного компрессора 2 через боковой воздушный коллектор 14 поступает в пластинчатые теплообменные матрицы 18 модулей 16 рекуперативного теплообменника 10 и протекая вдоль теплообменной поверхности листов 31 пластинчатой теплообменной матрицы 18 получает тепло отработавших газов. На выходе из пластинчатой теплообменной матрицы 18 поток сжатого воздуха поступает в поворотный канал 19, меняя направление движения на противоположное и поступает в замкнутую полость 17. В замкнутой полости 17 сжатый воздух получает дополнительное количество тепла от двух прилегающих к ней модулей 16 через боковые стенки 24, а также от внутренней стенки 20 замкнутой полости 17, которая нагревается отработавшими газами, проходящими через внутренний газовый коллектор 12.

В пластинчатой теплообменной матрице 18 модулей 16 и замкнутых полостях 17 поддерживается примерно одинаковые величины давления, разность которых определяется гидравлическими потерями в пластинчатая теплообменной матрице 18, составляющими не более 2%, поэтому боковые стенки 24 модулей 16 и боковые стенки 28 замкнутой полости 17 могут выполняться из тонкого листового материала, что способствует уменьшению массы модулей 16 и увеличению эффективности теплообмена через них.

Из замкнутой полости 17 поток сжатого воздуха равномерно поступает в канал 8 подвода воздуха в кольцевую камеру сгорания 6 через окна 21 во внутренних стенках 20 замкнутых полостей 17, чем обеспечивается штатная работа жаровой трубы 7 и создается противоточный эффект, способствующий более долгому нахождению сжатого воздуха в жаровой трубе 7, за счет чего стабилизируется процесс горения в кольцевой камере сгорания 6 на штатных режимах работы газотурбинного двигателя.

На режиме запуска газотурбинного двигателя при малых расходах сжатого воздуха в канале 8 подвода сжатого воздуха в кольцевую камеру сгорания 6 создается неравномерность потока сжатого воздуха, смещенная к выходу из кольцевой камеры сгорания 6, благодаря которой топливовоздушная смесь в зоне горения становится обогащенной топливом, что способствует высокой устойчивости факела пламени в кольцевой камере сгорания 6.

Такое выполнение газотурбинного двигателя с регенерацией тепла позволяет улучшить массогабаритные характеристики двигателя за счет коаксиального расположения кольцевого корпуса рекуперативного теплообменника относительно кольцевой камеры сгорания и повысить его экономические показатели за счет снижения общих тепловых потерь и стабилизации рабочего процесса в камере сгорания двигателя.

Claims (1)

1. Газотурбинный двигатель с регенерацией тепла, содержащий лопаточный компрессор с приводной турбиной, свободную турбину с валом привода потребителя, кольцевую камеру сгорания с жаровой трубой и с каналом подвода воздуха в камеру сгорания, расположенную соосно с лопаточным компрессором, выхлопной газопровод и модульный рекуперативный теплообменник с кольцевым корпусом, расположенным соосно с кольцевой камерой сгорания и имеющим внутренний газовый коллектор, подключенный к выходу свободной турбины, внешний газовый коллектор, подключенный к выхлопному газопроводу, боковой воздушный коллектор, подключенный к выходу лопаточного компрессора, и боковую крышку, расположенную на стороне кольцевого корпуса, противоположной относительно бокового воздушного коллектора, причем модули рекуперативного теплообменника выполнены прямоугольной формы и равномерно установлены по окружности кольцевого корпуса с образованием между ними замкнутых полостей, а каждый модуль имеет пластинчатую теплообменную матрицу, подключенную газовыми каналами к внутреннему и внешнему газовым коллекторам, а воздушными каналами - к боковому воздушному коллектору и к каналу подвода воздуха в камеру сгорания, отличающийся тем, что кольцевой корпус рекуперативного теплообменника расположен коаксиально относительно кольцевой камеры сгорания, а его боковая крышка снабжена поворотным каналом, подключенным к воздушным каналам теплообменных матриц модулей рекуперативного теплообменника и к замкнутым полостям кольцевого корпуса, внутренние стенки которых снабжены окнами для сообщения замкнутых полостей с каналом подвода воздуха в камеру сгорания.