RU2819266C1 - Воздушно-жидкостный теплообменный аппарат - Google Patents
Воздушно-жидкостный теплообменный аппарат Download PDFInfo
- Publication number
- RU2819266C1 RU2819266C1 RU2023134017A RU2023134017A RU2819266C1 RU 2819266 C1 RU2819266 C1 RU 2819266C1 RU 2023134017 A RU2023134017 A RU 2023134017A RU 2023134017 A RU2023134017 A RU 2023134017A RU 2819266 C1 RU2819266 C1 RU 2819266C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- air
- oil
- heat exchanger
- channel
- liquid
- Prior art date
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 17
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 6
- 239000012809 cooling fluid Substances 0.000 abstract description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 9
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 210000003027 ear inner Anatomy 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано при производстве газотурбинных двигателей (ГТД), например авиационных. Воздушно-жидкостный теплообменный аппарат для обмена тепла между воздухом и жидкостью включает совокупность параллельных ребер, расположенных друг относительно друга таким образом, чтобы образовать проход для циркуляции между ними воздуха, причем внутри каждого ребра выполнены три смежных канала с двумя параллельными перегородками в каждом канале с возможностью перемещения потока жидкости последовательно от канала к каналу со сменой направления. Технический результат - увеличение эффективности теплообмена между охлаждаемой и охладительной текучими средами. 4 ил.
Description
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано при производстве газотурбинных двигателей (ГТД), например, авиационных.
Современные турбореактивные двухконтурные двигатели (ТРДД) с раздельным истечением потоков из сопел содержат турбокомпрессор с газогенератором, внешние и внутренние контура и сопла, центральное тело и прочие компоненты. Условие работы данных типов ГТД находится в области повышенных температур, что обусловлено работой современных двигательных лопаточных машин, механических и электрических агрегатов, а также топлива на предельных режимах, из-за чего появляется необходимость устанавливать теплообменные аппараты для обеспечения передачи тепловой энергии от одной нагретой текучей среды к другой холодной.
Авиационный воздушно-жидкостный теплообменный аппарат (ВЖТА) для охлаждения жидкости, например, масла, предназначен для снижения температуры масла, используемого для смазки и охлаждения подшипников, редукторов и электромашин авиационных двигателей. Охлаждение масла необходимо для повышения его вязкости, снижения износа деталей и уменьшения риска возгорания масла при перегреве.
Существующие ВЖТА для охлаждения масла обычно имеют кожухотрубную или пластинчатую конструкцию, в которой тепло от масла передается воздуху через теплообменную поверхность. Однако такие аппараты имеют ряд недостатков, таких как:
- высокое гидравлическое сопротивление в каналах для масла и воздуха, что требует большой мощности насосов и вентиляторов;
- низкая теплопередача из-за неравномерного распределения потоков по площади теплообменной поверхности и образования отложений на стенках каналов;
- большой вес и габариты аппарата, что затрудняет его размещение на борту летательного аппарата;
- сложность обслуживания и ремонта аппарата из-за необходимости разборки его на отдельные элементы.
В связи с этим существует потребность в создании новой конструкции ВЖТА для охлаждения масла, которая бы обладала более высокой эффективностью, меньшим весом и габаритами.
Известно изобретение ВЖТА, имеющего пластинчатую конфигурацию ребер, с предпочтительным расположением в области передней части разделителя контуров ТРДД. Интегрируя масляный контур в разделитель контуров, ребра ВЖТА обеспечивают теплообмен между маслом и холодным воздушным потоком, поступающим из внешнего контура по втулочной части, который выступает в качестве хладагента для масляного контура [патент EP 2075194 B1, F01D 25/02, F02C 7/14, опубл. 2007.12.27].
Недостатком данного изобретения является то, что он ограничивает применение теплообменника только для турбореактивных двигателей с разделителем контуров воздушных потоков, что снижает универсальность теплообменника. Кроме того, размещение теплообменника в передней зоне разделителя может увеличить риск вытекания масла при повреждении корпуса разделителя.
Известно изобретение ВЖТА, имеющего масляный контур, который представляет собой трубку, которая проходит внутри разделителя воздушных потоков, расположенного в передней части турбореактивного двигателя. Пластинчатые ребра представляют собой тонкие листы металла, которые прикреплены к наружной стенке разделителя и выполнены под угол заходящего потока и имеют большую площадь поверхности и контактируют с холодным воздушным потоком, поступающим из внешнего контура двигателя. Ребра при этом отводят тепло от масла к воздуху, обеспечивая теплообмен между жидкостью и газом [патент EP 2339123 B1, F01D 9/06, F01D 25/14, опубл. 2009.12.23].
Недостатком данного изобретения является отсутствие универсальности применения. Также к недостаткам можно отнести отсутствие учета влияния на поток срыва со стенок ребер при работе двигателя на режимах отличных от номинального, из-за выбранного угла установки ребер, что может привести к повышенным распространяемым вихревым зонам перед направляющим аппаратом.
Также известно изобретение ВЖТА в составе ТРДД. Устройство включает в себя первичную и вторичную жилы, масляный резервуар и поверхностный ВЖТА, расположенные в межжильном отсеке, при этом теплообменник имеет внутреннюю и внешнюю стенки, между которыми проходит поток воздуха, а также сеть лабиринтов, соединенных со стенками и образующих коридоры для прохода потока масла. ВЖТА имеет форму трапециевидной призмы с двумя концами, один из которых соединен с резервуаром, а другой - с насосом для перекачки масла. Имеются варианты различных направлений течений текучих сред с элементами регулирования их потоков [патент FR 3046200 B1, F02C 7/14, опубл. 2015.12.23].
Недостатки изобретения заключаются в том, что оно не описывает способ регулирования температуры масла в зависимости от режима работы двигателя, что может снизить эффективность охлаждения и смазки. Сложность конструкции и установки обменника, который имеет множество элементов, таких как стенки, лопасти, проходы, датчики и регуляторы.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является изобретение двухуровневого теплообменника, предназначенного для ТРДД, и включает в себя опорную стенку, которая простирается вдоль продольного направления, и первое множество ребер, которые выходят из радиально наружной поверхности опорной стенки в радиальном направлении. Теплообменник также включает в себя второе множество ребер, которые выходят из радиально внутренней поверхности опорной стенки в противоположном радиальном направлении. Первое и второе множества ребер образуют два уровня теплообмена между двумя текучими средами, которые циркулируют по разным каналам теплообменника [патент WO 2023111466 A1, F28D 9/00, F28F 3/02, опубл. 22.06.2023].
Недостатком прототипа является чрезмерное загромождение проточной части внешнего контура, что может сказаться как на надежности работы, так и на эффективности теплообмена. Помимо этого, приведенная конструкция усложняет стандартное производство, сборку и обслуживание теплообменника, а также увеличивает его вес и размеры.
Задача изобретения - разработка воздушно-жидкостного теплообменного аппарата, который при эквивалентной массе имеет лучшие аэротермические характеристики, отличающегося возможностью эффективного охлаждения текучей среды.
Технический результат - увеличение эффективности теплообмена между охлаждаемой и охладительной текучими средами.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в воздушно-жидкостном теплообменном аппарате для обмена тепла между воздухом и жидкостью, включающем совокупность параллельных ребер, расположенных друг относительно друга таким образом, чтобы образовать проход для циркуляции между ними воздуха, в отличие от прототипа, внутри каждого ребра выполнены три смежных канала с двумя параллельными перегородками в каждом канале с возможностью перемещения потока жидкости последовательно от канала к каналу со сменой направления.
Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами. На фиг. 1 показан изометрический вид устройства в разрезе. На фиг. 2 изображен вид спереди устройства. На фиг. 3 изображен меридиональный разрез устройства. На фиг. 4 изображено сложный поперечный разрез устройства с меридионального вида на фиг 3.
Воздушно-жидкостный теплообменный аппарат содержит короб 1 для протекания в нем воздуха под напором через теплообменный аппарат 2, графитовую вставку 3 для изоляции масла от проточной части и корпус 4 для подвода через него масла. Масло затекает под напором в корпус 4 через входной канал 5 и поступает через распределительную область в совокупность параллельных ребер 6 с внутренними каналами для протекания масла по каналам 7. При этом масло, проходя через каналы 7, разделенные перегородками 8, вытекает через выходной канал 9.
Работа воздушно-жидкостного теплообменного аппарата осуществляется следующим образом.
Воздух под давлением, например, из-за компрессора, подается в короб 1 и проходит через теплообменный аппарат 2, где он соприкасается с ребрами 6 и охлаждает стенки ребер, а, соответственно и масло, протекающее внутри ребер. Масло изолировано от воздуха графитовой вставкой 3, которая предотвращает проникновение масла в проточную часть и обеспечивает равномерное распределение тепла по ребрам 6. Масло циркулирует по внутренним каналам 7 с параллельными перегородками 8 внутри них, образуя проходы, которые увеличивают площадь теплообмена, а, соответственно, и коэффициент теплоотдачи и снижают гидравлическое сопротивление. Масло отдает тепло воздуху и вытекает из корпуса 4 через выходной канал 9. Таким образом, достигается эффективное охлаждение масла путем нагрева нагнетаемого воздуха.
Преимущества приведенной в настоящем изобретении конструкции воздушно-жидкостного теплообменного аппарата заключаются в том, что она обеспечивает высокий коэффициент теплоотдачи за счет интенсивного перемешивания масла в каналах путем перемещения потока последовательно от канала к каналу со сменой направления, а также за счет увеличения площади теплообмена между воздухом и ребрами. Проведенное моделирование численных газодинамических расчетов показало, что применение воздушно-жидкостного теплообменного аппарата для параметров газотурбинного двигателя позволяет снизить среднюю температуру в области выходного канала масла на ~14 К. Кроме того, приведенная конструкция имеет небольшие габариты и массу, а также низкое гидравлическое сопротивление.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет увеличить эффективность теплообмена между охлаждаемой и охладительной текучими средами.
Изобретение может быть использовано для охлаждения масла в системах жидкостного охлаждения бортовой аппаратуры различных технических устройств с высокими скоростями течения воздуха. Поэтому наиболее предпочтительно применение данного ВЖТА в составе высокотемпературных турбокомпрессорах ГТД на борту мобильных платформ или транспортных средств, таких как электробусы, электромобили, морские и воздушные суда.
Claims (1)
- Воздушно-жидкостный теплообменный аппарат для обмена тепла между воздухом и жидкостью, включающий совокупность параллельных ребер, расположенных друг относительно друга таким образом, чтобы образовать проход для циркуляции между ними воздуха, отличающийся тем, что внутри каждого ребра выполнены три смежных канала с двумя параллельными перегородками в каждом канале с возможностью перемещения потока жидкости последовательно от канала к каналу со сменой направления.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2819266C1 true RU2819266C1 (ru) | 2024-05-16 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2339123B1 (fr) * | 2009-12-23 | 2013-07-10 | Techspace Aero S.A. | Paroi intérieure annulaire de la veine secondaire d'un turboréacteur et procédé d'assemblage d'une telle paroi |
RU168320U1 (ru) * | 2016-06-03 | 2017-01-30 | Евсей Аврумович Кордит | Теплообменник |
RU2612668C1 (ru) * | 2015-11-26 | 2017-03-13 | Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" ОАО "УМПО" | Воздухо-воздушный теплообменный аппарат |
RU2680636C1 (ru) * | 2018-05-14 | 2019-02-25 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Система охлаждения многоконтурной газотурбинной установки |
FR3046200B1 (fr) * | 2015-12-23 | 2019-06-07 | Safran Aircraft Engines | Turbomachine comprenant un reservoir d'huile et un echangeur air-huile associe |
WO2023111466A1 (fr) * | 2021-12-17 | 2023-06-22 | Safran | Echangeur de chaleur a double etage et turbomachine equipee d'un tel echangeur de chaleur |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2339123B1 (fr) * | 2009-12-23 | 2013-07-10 | Techspace Aero S.A. | Paroi intérieure annulaire de la veine secondaire d'un turboréacteur et procédé d'assemblage d'une telle paroi |
RU2612668C1 (ru) * | 2015-11-26 | 2017-03-13 | Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" ОАО "УМПО" | Воздухо-воздушный теплообменный аппарат |
FR3046200B1 (fr) * | 2015-12-23 | 2019-06-07 | Safran Aircraft Engines | Turbomachine comprenant un reservoir d'huile et un echangeur air-huile associe |
RU168320U1 (ru) * | 2016-06-03 | 2017-01-30 | Евсей Аврумович Кордит | Теплообменник |
RU2680636C1 (ru) * | 2018-05-14 | 2019-02-25 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Система охлаждения многоконтурной газотурбинной установки |
WO2023111466A1 (fr) * | 2021-12-17 | 2023-06-22 | Safran | Echangeur de chaleur a double etage et turbomachine equipee d'un tel echangeur de chaleur |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2696055B1 (en) | Gas turbine engine heat exchangers | |
CN106988887B (zh) | 燃气涡轮发动机流体冷却系统及其组装方法 | |
JP5336618B2 (ja) | ガスタービンエンジン組立体 | |
US11125160B2 (en) | Method and system for combination heat exchanger | |
CN107061016B (zh) | 热交换器组件、冷却流体的方法和燃气涡轮发动机 | |
CN110081461B (zh) | 用于径向管状换热器的方法及系统 | |
EP2696056A2 (en) | Gas turbine engine heat exchangers and methods of assembling the same | |
EP3239479A1 (en) | Fluid cooling system for a gas turbine engine and corresponding gas turbine engine | |
RU2764489C2 (ru) | Силовая установка для летательного аппарата, содержащая теплообменники типа воздух-жидкость | |
US20180171871A1 (en) | Surface Cooler with Flow Recirculation | |
CN113906267A (zh) | 用于涡轮机的优化的热交换系统 | |
CN111336016A (zh) | 飞行器表面冷却器组件 | |
CN113966433A (zh) | 涡轮机的优化的热交换系统 | |
EP3054126A1 (en) | Heat exchangers for thermal management systems | |
US11236673B2 (en) | Turbomachine blade comprising an internal fluid flow passage equipped with a plurality of optimally arranged disruptive elements | |
US11346247B2 (en) | Turbine engine including a heat exchanger formed in a platform | |
RU2819266C1 (ru) | Воздушно-жидкостный теплообменный аппарат | |
US6422020B1 (en) | Cast heat exchanger system for gas turbine | |
CN113267343A (zh) | 燃气轮机试验设备 | |
US20240151474A1 (en) | Surface heat exchanger having additional outlets | |
US11753953B2 (en) | Heat exchanger comprising an inter-vane wall provided with hollow turbulence generators | |
CN114508426A (zh) | 用于燃气涡轮发动机的热管理系统 | |
CN116420009A (zh) | 双流式热交换器 |