ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК F02C7/08 

Изобретение относится к газотурбинным (ГТД), преимущественно автомобильным (АГТД) и другим подобным сравнительно маломощным двигателям.

Известны маломощные АГТД, содержащие последовательно включенные по ходу рабочего тела компрессор, нагреватель и турбину. Как правило, такие ГТД имеют регенеративный теплообменник, в котором воздух перед камерой сгорания подогревается выхлопными газами [1] Расчеты показывают, что такие АГТД по экономичности могут составить конкуренцию дизельному ДВС только при очень высокой температуре газа перед турбиной (≥1350К). Такая температура может быть (в неохлажденном варианте) достигнута только в керамической турбине. Однако высота проточной части лопаточных машин столь высокотемпературных ГТД при малой мощности очень мала, что предопределяет большую величину концевых и кромочных потерь. Кроме того, технология изготовления высокотемпературных керамических элементов еще недостаточно отработана для практического применения. Наконец, горение в таких ГТД происходит при высоких давлениях, что обуславливает наличие в выхлопных газах токсичных примесей (например NO_x).

Известны газотурбинные двигателя, содержащие последовательно включенные по ходу рабочего тела нагреватель, турбину, нагревающий тракт и коллектор теплообменника, компрессор, причем охлаждающий тракт и коллектор теплообменника сообщены с атмосферой [2] Описанный узел ГТД обычно используется в качестве так называемого "вакуумирующего агрегата" для увеличения мощности и КПД основного ГТД.

Известен газотурбинный двигатель, содержащий последовательно по ходу рабочего тела включенные нагреватель, турбину, нагревающий тракт основного теплообменника и компрессор, причем охлаждающий тракт основного теплообменника сообщен на входе с атмосферой, на выходе с входом нагревателя, а между нагревающим трактом основного теплообменника и компрессором включен нагревающий тракт дополнительного газовоздушного теплообменника [3]
Недостатком указанных двигателей является токсичность выхлопа и пониженная экономичность при малых мощностях.

Решаемой задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков.

Это достигается тем, что выход охлаждающего тракта основного теплообменника сообщен с входом нагревателя, выхлопной тракт двигателя снабжен дополнительным газовоздушным теплообменником, понижающим перед компрессором температуру выхлопных газов воздухом, забираемым из атмосферы вентилятором, а также газотопливным теплообменником, в котором топливо подогревается до температуры, при которой не происходит отложений, с целью уменьшения токсичности выхлопа.

В основном теплообменнике может осуществляться L, П или Z-образная схема течения теплоносителей.

Основной теплообменник L-образной схемы из кольцевых пластин с выштамповками секторных внутренних и наружных окон и прямолинейных гофр, пластины попарно соединены по выштамповкам окон с образованием продольных коллекторов и по кромкам с образованием равномерно расположенных по внутренней и внешней боковым поверхностями отверстий, сообщающих соответственно атмосферу с охлаждающим трактом и выход турбины с нагревающим трактом. Поверхности, ограничивающие указанные тракты, образованы пересекающимися гофрами смежных пластин. Выштамповки окон имеют дополнительные отбортовки. Соседние пластины соединены по дополнительным отбортовкам с образованием проходных отверстий, расположенных у периферии коллекторов нагревающего тракта и у корня охлаждающего тракта.

Основной теплообменник П-образной схемы снабжен газосборником и выполнен из кольцевых пластин с выштамповками секторных внутренних и наружных окон и прямолинейных гофр, пластины попарно соединены по выштамповкам окон с образованием продольных коллекторов, а также по кромкам с образованием равномерно расположенных по внутренней и внешней боковым поверхностям теплообменника отверстий, сообщающих соответственно выход турбины с нагревающим трактом, выход последнего с газосборником, наружные коллекторы на входе сообщены с атмосферой и через охлаждающий тракт с внутренними коллекторами, поверхности, ограничивающие указанные тракты, образованы пересекающимися гофрами смежных пластин.

Основной теплообменник Z-образной схемы снабжен газосборником и выполнен из кольцевых пластин с выштамповками секторных окон и прямолинейных гофр, пластины попарно соединены по выштамповкам окон с образованием чередующихся продольных входных и выходных коллекторов, а также по кромкам с образованием равномерно расположенных по внутренней и внешней боковым поверхностям теплообменника отверстий, сообщающих соответственно выход турбины с нагревающим трактом, выход последнего с газосборником, входные коллекторы сообщены с атмосферой и через охлаждающий тракт с выходными коллекторами, а поверхности, ограничивающие указанные тракты, образованы пересекающимися гофрами смежных пластин.

Выштамповки окон теплообменников П и Z-образной схем также имеют дополнительные отбортовки, при соединении по которым с соседними пластинами образуются отверстия у периферии коллекторов для входа воздуха в охлаждающий тракт и отверстия у корня коллекторов для выхода его из тракта в коллектор.

Вместо дополнительных отбортовок между выштамповками окон в коллекторах могут быть установлены вставки, образующие проходные отверстия. Вставки могут быть из теплоизоляционного материала.

Пластины теплообменника для обеспечения равномерности распределения расхода могут быть выполнены многогранными в виде пересекающихся касательных к средней линии коллекторов на внутреннем диаметре и пересекающихся секущих, соединяющих крайние точки соседних коллекторов на внешнем диаметре. Угол между соответственно секущими и касательными составляет от 120 до 180^oC. При этом отношение внутренних радиусов гофр со стороны теплоносителей большей r₁ и меньшей r₂ плотности составляет r₂/r₁ 1.3. Пластины теплообменника могут быть выштампованы овальными с равновеликими площадями теплообменной поверхности и проходных сечений коллекторов соответственно.

Для осуществления очистки теплообменника от сажистых отложений путем повышения температуры стенки ГТД снабжен перепускной магистралью, имеющей клапан, которая сообщает выход дополнительного газовоздушного теплообменника по воздуху с входом охлаждающего тракта основного теплообменника.

В случае использования специальных жидкостей в коллекторе нагревающего тракта установлены форсунки, сообщенные с источником очищающей среды.

На фиг. 1 показана схема газотурбинного двигателя; фиг. 2 поперечное сечение теплообменника L-образной схемы; фиг. 3 сечение А-А фиг. 2; фиг. 4 - сечение Б-Б фиг. 2. фиг. 5 внутреннее и наружное окно теплообменника с соответствующими выштамповками; фиг. 6 сечение В-В фиг. 5; фиг. 7 сечение Г-Г фиг. 5; фиг. 8 схема подсоединения основного теплообменника при П-образной схеме течения теплоносителей; фиг. 9 схема подсоединения основного теплообменника при Z-образной схеме течения теплоносителей; фиг. 10 часть поперечного сечения основного теплообменника П-образной схемы; фиг. 11 часть поперечного сечения основного теплообменника Z-образной схемы; фиг. 12 сечение Д-Д фиг. 10 и фиг. 11; фиг. 13 сечение Е-Е фиг. 10; фиг. 14 - сечение Ж-Ж фиг. 11; фиг. 15 сечение З-З фиг. 11; фиг. 16 внутреннее и наружное окно основного теплообменника с вставками; фиг. 17 сечение И-И фиг. 16; фиг. 18 сечение К-К фиг. 16; фиг. 19 сечение Б-Б фиг. 2 при различном отношении внутренних радиусов гофр; фиг. 20 часть поперечного сечения многогранного теплообменника с уменьшенными потерями давления на поворот потока; фиг. 21 поперечное сечение теплообменника овальной формы.

Позиции на чертежах обозначают: 1 нагреватель (камера сгорания), 2 - турбина, 3 нагревающий тракт (вход газа), 4 коллектор нагревающего тракта основного теплообменника, 5 компрессор, 6 охлаждающий тракт (вход воздуха), 7 коллектор охлаждающего тракта основного теплообменника, 8 - дополнительный газовоздушный теплообменник, 9 топливогазовый теплообменник, 10 патрубок выхода воздуха из дополнительного газовоздушного теплообменника, 11 магистраль подачи горячего воздуха на вход в основной теплообменник, 12 - клапаны управления подачей горячего воздуха, 13 клапан, соединяющий камеру сгорания с атмосферой, 14 форсунки подачи в коллектор нагревающего тракта (3) жидкости или газа для очистки теплообменника, 15 пластина основного теплообменника с L-образной схемой течения, 16 выштамповки внутренних окон, 17 выштамповки наружных окон, 18 внутреннее окно, 19 наружное окно, 20 - прямолинейные гофры, 21 внутренняя кромка, 22 наружная кромка, 23 - внутренняя боковая поверхность, 24 внешняя боковая поверхность, 25 - дополнительная отбортовка внутреннего окна, 26 дополнительная отбортовка наружного окна, 27 проходное отверстие внутреннего окна, 28 проходное отверстие наружного окна, 29 вставка для образования проходных отверстий, 30 газосборник, 31 пластина основного теплообменника с П-образной схемой течения, 32 наружный коллектор, 33 пластина основного теплообменника с Z-образной схемой течения, 34 выштамповки окон Z-образного теплообменника, 35 входной коллектор Z-образного теплообменника, 36 выходной коллектор Z-образного теплообменника, 37 дополнительные отбортовки Z-образного теплообменника.

Конструктивно предлагаемый ГТД содержит нагреватель (1), турбину компрессора (2) и свободную турбину, нагревающий тракт (3) подвода продуктов сгорания к коллектору нагревающего тракта (4) основного теплообменника, компрессор (5). Основной теплообменник имеет также коллектор охлаждающего тракта (7), сообщенный с атмосферой охлаждающим трактом (6). Выход охлаждающего тракта (7) соединен с входом нагревателя (1), а выход нагревающего тракта (4) с дополнительным газовоздушным теплообменником (8) и затем с компрессором (5). Перед дополнительным теплообменником (8) установлен топливогазовый теплообменник (9) для подогрева топлива, поступающего в нагреватель (1). Охлаждение продуктов сгорания в дополнительном теплообменнике (8) осуществляется атмосферным воздухом, подаваемым специальным вентилятором или вентилятором, установленным на одном валу с компрессором (на схеме не показано). Патрубок (10) выхода воздуха из дополнительного теплообменника (8) соединен с системой отопления объекта и с помощью трубопровода (11) и клапанов (12) с охлаждающим трактом (6) для повышения температуры воздуха на входе в теплообменник при очистке его путем "прожига". Для этой же цели служит клапан (13), соединяющий нагреватель (1) с атмосферой, что приводит к уменьшению расхода воздуха через теплообменник и повышению температуры его стенок. С целью снижения температуры прожига при очистке теплообменника в коллектор нагревающего тракта (3) подается с помощью форсунок (24) специальная жидкость (например 33%-ный раствор перекиси водорода) или озон, генерируемый специальным прибором (на схеме не показан).

Основной теплообменник L-образной схемы выполнен из кольцевых пластин (15) с отбортовками внутренней (21) и внешней (22) кромок по форме пластины (15), расположенными в различных плоскостях и с выштамповками (16, 17) секторных внутренних (18) и наружных (19) окон, расположенными в плоскостях, противоположных соответствующим отбортовкам. Окна (18) и (19) имеют также дополнительные отбортовки (25), (26) в плоскостях, соответствующих отбортовкам внутренней (21) и внешней (22) кромкам, соединение которых с отбортовками соседних пластин препятствует доступу теплоносителей к центральной части окон (18), (19). Для перетекания теплоносителей из теплопередающей части поверхности пластины (15) в коллектор служат проходные отверстия (27) внутреннего окна (18) и проходного отверстия (28) наружного окна (19), расположены у периферии коллекторов нагревающего тракта (4) и у корня коллекторов охлаждающего тракта (7) теплообменника. Площадь проходных сечений определяется высотой дополнительных отбортовок (25), (26), составляющей 0,6. 0,8 высоты окна.

Основной теплообменник П-образной схемы снабжен газосборником (30) и выполнен из кольцевых пластин (31) с выштамповками (16), (17) секторных внутренних (18) и наружных (19) окон и прямолинейных гофр (20), пластины (31) попарно соединены по выштамповкам (16), (17) окон (18), (19) с образованием наружного (32) и внутреннего (7) продольных коллекторов, а также по кромкам (21), (22) с образованием равномерно расположенных по внутренней (23) и внешней (24) боковым поверхностям отверстий, сообщающих выход турбины (2) с нагревающим трактом (3), а выход последнего с газосборником (30). Наружные коллекторы (32) на входе сообщены с атмосферой и через охлаждающий тракт с внутренними коллекторами (7). Поверхности, ограничивающие указанные тракты, образованы пересекающимися гофрами смежных пластин.

Основной теплообменник Z-образной схемы также снабжен газосборником (30) и выполнен из кольцевых пластин (33) с выштамповками (34) секторных окон и прямолинейных гофр (20), пластины (33) попарно соединены по выштамповкам (34) окон с образованием продольных входных (35) и выходных (36) коллекторов, а также по кромкам (21), (22) с образованием равномерно расположенных по внутренней (23) и внешней (24) боковым поверхностям отверстий, сообщающих выход турбины (2) с нагревающим трактом (3), а выход последнего с газосборником (30), входные коллекторы (35) сообщены с атмосферой и через охлаждающий тракт с выходными коллекторами (36). Поверхности, ограничивающие указанные тракты, образованы пересекающимися гофрами смежных пластин.

Выштамповки окон теплообменника с П-образной схемой течения (16), (17) и Z-образной схемой (34) имеют дополнительные отбортовки (25, 26 и 37), причем дополнительные отбортовки соседних пластин соединены с образованием расположенных у периферии проходных отверстий для входа воздуха в охлаждающий тракт и отверстий для выхода воздуха, расположенных у корня коллекторов. Это позволяет увеличить длину траектории движения воздуха по охлаждающему тракту.

Выбор схемы течения теплоносителей определяется конструктивными особенностями двигателя, а также соотношением потерь давления и степенью регенерации тепла на основании результатов расчета.

В зависимости от технологических возможностей вместо дополнительных отбортовок (25, 26, 37) между выштамповками (16, 17, 34) окон могут быть установлены вставки (29) по форме профиля и высоте подобные дополнительным отбортовкам. Пустотелые вставки заполняются теплоизоляционным материалом.

Наряду с кольцевой формой пластин для уменьшения потерь давления теплоносителей при изменении траектории движения с радиальной на окружную предлагается пластины выполнить многогранными в виде пересекающихся касательных к средней линии коллекторов на внутреннем диаметре и секущих, соединяющих крайние точки соседних коллекторов на внешнем диаметре. Угол соответственно между секущими и касательными может составлять 180 120^o.

В случае, когда имеются ограничения высоты отсека, в котором располагается теплообменник, он может быть выполнен овальной формы с равновеликими площадями теплопередающей поверхности при равных площадях проходных отверстий коллекторов.

Двигатель, снабженный основным теплообменником с L-образной схемой течения, работает следующим образом. Воздух из атмосферы через тракт (6) по каналам, образованным пересекающимися прямолинейными гофрами (20), поступает через окно (27) в коллектор (7) охлаждающего тракта основного теплообменника. Для предотвращения утечки воздуха из воздушной полости, образованной стенками двух пластин (15), внутренние кромки (21) соединяются между собой герметично сваркой или пайкой. Дополнительные отбортовки внутреннего окна (25) предотвращают поступление воздуха в верхнюю часть окна (18), направляя его в окно (27) и коллектор (7), что позволяет увеличить длину воздушного канала и, следовательно, площадь теплообмена. При присоединении соседних пар пластин к исходной паре по выштамповкам (16) окон образуется герметичная воздушная полость с входом воздуха из тракта (6) и выходом в тракт (7). Подогретый за счет теплоты выхлопных газов воздух направляется в подогреватель (1). После подогрева или сжигания в камере сгорания (1) воздух или продукты сгорания, имеющие высокую температуру, поступают на турбину (2) (или на турбину компрессора и свободную турбину) для привода компрессора (5) и создания свободной мощности. После прохождения теплоизолированного нагревающего тракта (3) продукты сгорания, проходя по газовым каналам, образованными гофрами (20) пластин (15), отдают тепло воздуху через стенку пластины (15) и поступают через окно (28) в коллектор (4). Кромки (22) предотвращают утечки газа, а дополнительные отбортовки (26) увеличивают длину газового канала. При этом кромками (22) исходная пара пластин (15) соединяется попарно с соседними пластинами (15). После соединения исходных пар пластин по выштамповкам (17) наружных окон (19) газовая полость замыкается, соединяясь с одной стороны с нагревающим трактом (3), а с другой с коллектором (4). Вывод коллектора нагревающего тракта (4) соединен с компрессором (5), отсасывающим продукты сгорания из двигателя в атмосферу. Для уменьшения работы компрессора продукты сгорания охлаждаются в дополнительном газовоздушном теплообменнике (8) за счет атмосферного воздуха, подаваемого специальным вентилятором (на схеме не показан), а также подогревая топливо в топливогазовом теплообменнике (9). При подаче подогретого топлива в камеру сгорания (1) улучшается его распыление, испаряемость и полнота сгорания, что улучшает экологические характеристики двигателя. Подача воздуха из дополнительного теплообменника (8) на обогрев салона повышает комфорт в холодное время года.

Для теплообменника с П-образной и Z-образной схемами продукты сгорания, проходя по газовым каналам, образованными гофрами (20) пластин (31) или (33), поступает в газосборник (30), из которого направляется в топливогазовый (9), а затем в дополнительный газовоздушный (8) теплообменники и компрессор (5).

Для теплообменника с П-образной схемой в воздушную полость теплообменника, образующуюся при соединении кромок (21) и (22) соседних пластин, и после прохода по каналам поступает через отверстие (27) во внутренний коллектор (7), из которого направляется в подогреватель (1).

В теплообменнике Z-образной схемы воздух из раздающего коллектора (35) через отверстия (28) проходит по воздушным каналам и после выхода из отверстий (27) поступает в выходной коллектор (36).

Повышение экологии двигателя обусловлено не только подогревом топлива, но и сжиганием его при давлениях, меньших атмосферного, при которых особенно существенно снижается выделение NO_x и частиц сажи. Так как при длительной эксплуатации отложения на стенках теплообменника приводят к росту гидравлических потерь давления и снижению степени регенерации тепла, необходима периодическая очистка теплообменника. Для очистки "прожигом", когда температура стенки теплообменника должна превышать 650.700^oC, выход (10) воздуха из дополнительного теплообменника (8) с помощью трубопровода (11) соединяется с (6). Повышение температуры воздуха на входе тракт (6) приводит к росту температуры стенки пластин (15, 31, 33) и самоочистке теплообменников. Клапаны (12) регулируют интенсивность повышения температуры воздуха на входе в теплообменник. Для этой же цели служит регулируемый клапан (13), соединяющий атмосферу с камерой сгорания (1), при частичном или полном открытии которого растет давление воздуха перед камерой сгорания (1) и уменьшается расход воздуха через теплообменник, вследствие чего возрастает температура стенки.

Для снижения температуры стенки при прожиге с 650.700^oC до 300^oC с помощью форсунки 14 в нагревающий тракт 4 теплообменника подается очищающая жидкость (например 33%-ый раствор перекиси водорода) или газ (например озон), генерируемый специальным прибором (на схеме не показано).

Использование: преимущественно в автомобилестроении. Сущность изобретения: газотурбинный двигатель (ГТД) содержит нагреватель, турбину, основной теплообменник (ОТ) с охлаждающим трактом (ОХТ), сообщенным на входе с атмосферой, на выходе - с входом нагревателя, дополнительный теплообменник (ДГТ), нагревающий трактом (НТ), включенным между НТ, ОТ и компрессором. ГТД снабжен также перепускной магистралью с клапаном, сообщающей выход ОХТ ДГТ с входом ОХТ ОТ. Между НТ, ОТ и ДГТ включен теплогазовый теплообменник. Рассмотрены конструкции выполнения ОТ. 12 з.п. ф-лы, 21 ил.

1. Газотурбинный двигатель, содержащий последовательно по ходу рабочего тела включенные нагреватель, турбину, нагревающий тракт основного теплообменника и компрессор, причем охлаждающий тракт основного теплообменника сообщен на входе с атмосферой, на выходе с входом нагревателя, а между нагревающим трактом основного теплообменника и компрессором включен нагревающий тракт дополнительного газовоздушного теплообменника, отличающийся тем, что он снабжен перепускной магистралью с клапаном, сообщающей выход охлаждающего тракта дополнительного теплообменника с входом охлаждающего тракта основного теплообменника. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен топливогазовым теплообменником, включенным между нагревающими трактами основного и дополнительного теплообменников. 3. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что основной теплообменник выполнен из кольцевых пластин с выштамповками секторных внутренних и наружных окон и прямолинейных гофр, пластины попарно соединены по выштамповкам окон с образованием продольных коллекторов, а также по кромкам с образованием равномерно расположенных по внешней и внутренней боковым поверхностям теплообменника отверстий, сообщающих соответственно атмосферу с охлаждающим трактом, и выход турбины с нагревающим трактом, а поверхности, ограничивающие указанные тракты, образованы пересекающимися гофрами смежных пластин. 4. Двигатель по п. 3, отличающийся тем, что выштамповки окон имеют дополнительные отбортовки, причем дополнительные отбортовки соседних пластин соединены с образованием проходных отверстий, расположенных у периферии коллекторов нагревающего тракта и у корня коллекторов охлаждающего тракта. 5. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что основной теплообменник снабжен газосборником и выполнен из кольцевых пластин с выштамповками секторных внутренних и наружных окон и прямолинейных гофр, пластины попарно соединены по выштамповкам окон с образованием продольных коллекторов, а также по кромкам с образованием равномерно расположенных по внутренней и внешней боковым поверхностям теплообменника отверстий, сообщающих соответственно выход турбины с нагревающим трактом, выход последнего с газосборником, наружные коллекторы на входе сообщены с атмосферой и через охлаждающий тракт с внутренними коллекторами, поверхности, ограничивающие указанные тракты, образованы пересекающимися гофрами смежных пластин. 6. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что основной теплообменник снабжен газосборником и выполнен из кольцевых пластин с выштамповками секторных окон и прямолинейных гофр, пластины попарно соединены по выштамповкам окон с образованием чередующихся продольных входных и выходных коллекторов, а также по кромкам с образованием равномерно расположенных по внутренней и внешней боковым поверхностям теплообменника отверстий, сообщающих соответственно выход турбины с нагревающим трактом, выход последнего с газосборником, входные коллекторы сообщены с атмосферой и через охлаждающий тракт с выходными коллекторами, а поверхности, ограничивающие указанные тракты, образованны пересекающимися гофрами смежных пластин. 7. Двигатель по пп. 5 и 6, отличающийся тем, что выштамповки окон имеют дополнительные отбортовки, причем дополнительные отбортовки соседних пластин соединены с образованием расположенных у периферии проходных отверстий для входа воздуха в охлаждающий тракт и отверстий для выхода воздуха, расположенных у корня коллекторов. 8. Двигатель по пп. 3, 5, 6, отличающийся тем, что между выштамповками окон установлены вставки, образующие проходные отверстия. 9. Двигатель по п. 8, отличающийся тем, что вставки выполнены из теплоизоляционного материала. 10. Двигатель по пп. 3, 5, 6, отличающийся тем, что пластины выполнены многогранными, причем внутренние грани образованы пересекающимися касательными к средним линиям коллекторов на внутреннем диаметре, внешние грани - пересекающимися секущими, соединяющими крайние точки соседних коллекторов на внешнем диаметре, а угол пересечения между собой соответственно секущих и касательынх составляет 120-180^o. 11. Двигатель по пп. 5 10, отличающийся тем, что отношение радиусов гофр со стороны большей r₁ и меньшей r₂ плотностей теплоносителей составляет r₂/r₁=1^oC3. 12. Двигатель по пп. 5, 7, 8, отличающийся тем, что пластины выполнены овальными. 13. Двигатель по пп. 1 12, отличающийся тем, что в коллекторе нагревающего тракта установлены форсунки, сообщенные с источником очищающей среды.