ТЕПЛООБМЕННАЯ ПЕРЕГОРОДКА Российский патент 2012 года по МПК F28F3/12 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к теплообменной перегородке, и в частности к теплообменной перегородке, используемой для охлаждения блока сгорания газовой турбины.

Уровень техники

[0002] Теплообменные перегородки, используемые для охлаждения блока сгорания газовой турбины, известны, в частности, из заявки JP 2005-61725 и патента JP 4084264.

Раскрытие изобретения

[0003] В теплообменных перегородках, описанных в вышеуказанных патентных документах, часть охлаждающего воздуха, проходящая рядом с поверхностью несущего листа, при движении вдоль этой поверхности испытывает возмущения, сталкиваясь с ребрами, установленными на поверхности несущего листа, что создает турбулентный поток, отводящий теплоту от корневых участков ребер или цилиндрических штырей, установленных на поверхности несущего листа, и от поверхности несущего листа, обеспечивая, тем самым, охлаждение корневых участков ребер или цилиндрических штырей и поверхности несущего листа.

Однако несущий лист обычно изготавливают из жаропрочного сплава (например, на основе никеля), обладающего прекрасной термостойкостью, но низкой теплопроводностью, в результате чего возникает потребность в достижении большего охлаждающего эффекта, чтобы обеспечить более высокую эффективность охлаждения несущего листа.

[0004] Исходя из вышеизложенного задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить теплообменную перегородку, обеспечивающую больший охлаждающий эффект для достижения более высокой эффективности охлаждения несущего листа.

[0005] Поставленная задача решена в настоящем изобретении следующим образом.

В соответствии с настоящим изобретением, предусмотрена теплообменная перегородка, содержащая несущий лист и штыри, установленные на поверхности указанного несущего листа, причем вдоль несущего листа протекает охлаждающая среда, причем каждый из штырей целиком или частично наклонен назад в сторону оттока среды, так что его верхний торец сдвинут в сторону оттока среды по отношению к его нижнему торцу.

[0006] В предложенной теплообменной перегородке каждый из штырей целиком или частично наклонен назад, так что верхний торец штыря сдвинут в сторону оттока среды по отношению к его нижнему торцу; таким образом, охлаждающая среда, проходящая между штырями, установленными в поперечном направлении, сталкивается под углом с поверхностью несущего листа со стороны притока среды, что позволяет эффективно отводить теплоту от поверхности несущего листа. Благодаря этому удается достичь большего охлаждающего эффекта в охлаждении поверхности несущего листа, обеспечивая более высокую эффективность охлаждения несущего листа.

[0007] Для описанной выше теплообменной перегородки предпочтительным является вариант осуществления, в котором поверхность несущего листа имеет углубления и выпуклости, имея в поперечном сечении волнообразную форму, в которой углубления и выпуклости повторяются, чередуясь в продольном направлении несущего листа; при этом нижний торец каждого из штырей лежит на наклоненной в сторону оттока среды поверхности, которая отходит от вершины выпуклости в сторону оттока среды.

[0008] В указанной теплообменной перегородке поверхность несущего листа имеет углубления и выпуклости, имея в поперечном сечении волнообразную форму, в которой углубления и выпуклости повторяются, чередуясь на протяжении длины несущего листа, и нижний торец каждого из штырей начинается с вершины выпуклости или с места, несколько отстоящего в сторону оттока среды от вершины выпуклости; таким образом, охлаждающая среда, проходящая между штырями, установленными в поперечном направлении, течет рядом с поверхностью несущего листа по поверхности, наклоненной в сторону оттока среды, которая отходит от вершины выпуклости в сторону оттока среды, и затем сталкивается под бóльшим углом с поверхностью, наклоненной в сторону притока среды, которая отходит от вершины выпуклости в сторону притока среды, что позволяет более эффективно отводить теплоту от поверхности несущего листа. Благодаря этому удается достичь большего охлаждающего эффекта в охлаждении поверхности несущего листа, обеспечивая более высокую эффективность охлаждения несущего листа.

[0009] В соответствии с настоящим изобретением предусмотрена теплообменная перегородка, содержащая несущий лист и штыри, установленные на поверхности несущего листа, причем в продольном направлении несущего листа протекает охлаждающая среда, а каждый из штырей целиком или частично наклонен вперед в сторону притока среды, так что его верхний торец сдвинут в сторону притока среды по отношению к его нижнему торцу; при этом поверхность несущего листа имеет углубления и выпуклости, имея в поперечном сечении волнообразную форму, в которой углубления и выпуклости повторяются, чередуясь в продольном направлении несущего листа; и у каждого из штырей нижний торец лежит на наклоненной в сторону притока поверхности, которая отходит от вершины выпуклости в сторону притока среды.

[0010] В предложенной теплообменной перегородке каждый из штырей целиком или частично наклонен вперед, так что верхний торец штыря сдвинут в сторону притока среды по отношению к его нижнему торцу; таким образом, охлаждающая среда, проходящая между штырями, установленными в поперечном направлении, сталкивается под углом с поверхностью несущего листа со стороны притока среды, что позволяет эффективно отводить теплоту от поверхности несущего листа. Благодаря этому удается достичь большего охлаждающего эффекта в охлаждении поверхности несущего листа, обеспечивая более высокую эффективность охлаждения несущего листа.

Кроме того, в теплообменной перегородке согласно настоящему изобретению поверхность несущего листа имеет углубления и выпуклости, имея в поперечном сечении волнообразную форму, в которой углубления и выпуклости повторяются, чередуясь на протяжении длины несущего листа, при этом нижний торец каждого из штырей начинается с вершины выпуклости или с места, несколько отстоящего в сторону притока среды от вершины выпуклости; таким образом, охлаждающая среда, проходящая между штырями, установленными в поперечном направлении, течет рядом с поверхностью несущего листа по поверхности, наклоненной в сторону оттока среды, которая отходит от вершины выпуклости в сторону оттока среды, и затем сталкивается под бóльшим углом с поверхностью, наклоненной в сторону притока среды, которая отходит от вершины выпуклости в сторону притока среды, что позволяет более эффективно отводить теплоту от поверхности несущего листа. Благодаря этому удается достичь большего охлаждающего эффекта в охлаждении поверхности несущего листа, обеспечивая более высокую эффективность охлаждения несущего листа.

[0011] Для описанной выше теплообменной перегородки более предпочтительным является вариант осуществления, в котором на поверхности несущего листа предусмотрены элементы усиления турбулентности, вызывающие возмущение охлаждающей среды рядом с поверхностью несущего листа, создавая турбулентный поток.

[0012] В предложенной теплообменной перегородке охлаждающая среда, протекающая рядом с поверхностью несущего листа, при движении вдоль этой поверхности испытывает возмущения, сталкиваясь с элементами усиления турбулентности, что создает турбулентный поток, и этот турбулентный поток более эффективно отводит теплоту от корневых участков штырей и от поверхности несущего листа. Благодаря этому удается достичь большего охлаждающего эффекта в охлаждении корневых участков штырей и поверхности несущего листа, обеспечивая более высокую эффективность охлаждения несущего листа.

[0013] В соответствии с настоящим изобретением предусмотрен блок сгорания газовой турбины, содержащий теплообменную перегородку, обладающую повышенной эффективностью охлаждения.

[0014] В блоке сгорания газовой турбины, также предложенном в настоящем изобретении, улучшена эффективность теплообмена и, таким образом, по сравнению с обычным блоком сгорания газовой турбины можно сократить количество охлаждающей среды, необходимое для достижения той же величины теплообмена.

Поэтому, когда в качестве охлаждающей среды используется воздух, поступающий для сгорания, появляется возможность направить больше этого воздуха внутрь камеры сгорания, чтобы увеличить отношение расхода воздуха для горения к расходу топлива и уменьшить концентрацию NOx в выхлопных газах, выходящих из блока сгорания газовой турбины, за счет снижения температуры сгорания и ускорения однородного перемешивания в блоке сгорания газов, выделяющихся при горении, и газа, не подвергающегося сгоранию, в целях быстрого и однородного охлаждения этих газов.

[0015] В соответствии с настоящим изобретением, предусмотрена газовая турбина, содержащая блок сгорания газовой турбины, который обладает повышенной эффективностью теплообмена.

[0016] В предложенной газовой турбине эффективность теплообмена улучшена; таким образом, по сравнению с обычной газовой турбиной можно снизить количество охлаждающей среды, необходимое для достижения той же величины теплообмена.

Поэтому, когда в качестве охлаждающей среды используется воздух, поступающий для сгорания, появляется возможность направить больше этого воздуха внутрь камеры сгорания, чтобы увеличить отношение расхода воздуха для горения к расходу топлива и уменьшить концентрацию NOx в выхлопных газах, выходящих из газовой турбины.

[0017] Преимущество настоящего изобретения заключается в том, что удается достичь большего охлаждающего эффекта в охлаждении несущего листа, обеспечивая, таким образом, более высокую эффективность охлаждения несущего листа.

Краткое описание чертежей

[0018] [ФИГ.1] На Фиг.1 представлена конструкция блока сгорания, оснащенного теплообменной перегородкой в соответствии с настоящим изобретением.

[ФИГ.2] На Фиг.2 показан разрез теплообменной перегородки в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения плоскостью, проходящей вдоль этой перегородки перпендикулярно ее поверхности.

[ФИГ.3] На Фиг.3 проиллюстрировано расположение штырей, установленных на теплообменной перегородке, показанной на Фиг.2, в плоскости, перпендикулярной центральным осям штырей.

[ФИГ.4] На Фиг.4 показан разрез теплообменной перегородки в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения плоскостью, проходящей вдоль этой перегородки перпендикулярно ее поверхности.

[ФИГ.5] На Фиг.5 показана схема, полученная методами вычислительной гидродинамики ВГД (CFD) для случая, в котором отсутствует зазор, а степень неровности равна 1.

[ФИГ.6] На Фиг.6 показана схема, полученная методами ВГД (CFD), для случая, в котором зазор равен 0,3, а степень неровности равна 1.

[ФИГ.7] На Фиг.7 показана схема, полученная методами ВГД (CFD), для случая, в котором зазор отсутствует, а степень неровности равна 2.

[ФИГ.8] На Фиг.8 показана схема, полученная методами ВГД (CFD), для случая, в котором зазор равен 0,3, а степени неровности равна 2.

[ФИГ.9] На Фиг.9 показан разрез теплообменной перегородки плоскостью, проходящей вдоль этой перегородки перпендикулярно ее поверхности, иллюстрирующий случай, в котором степень неровности равна 1.

[ФИГ.10] На Фиг.10 показан разрез теплообменной перегородки плоскостью, проходящей вдоль этой перегородки перпендикулярно ее поверхности, иллюстрирующий случай, в котором степень неровности равна 2.

[ФИГ.11] На Фиг.11 показан разрез теплообменной перегородки в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения плоскостью, проходящей вдоль этой перегородки перпендикулярно ее поверхности.

[ФИГ.12] На Фиг.12 проиллюстрировано расположение ребер, установленных на теплообменной перегородке, показанной на Фиг.11, при наблюдении несущего листа со стороны оболочки.

[ФИГ.13] На Фиг.13 показан разрез теплообменной перегородки в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения плоскостью, проходящей вдоль этой перегородки перпендикулярно ее поверхности.

[ФИГ.14] На Фиг.14 представлены условия эксперимента, проводимого методом сублимации нафталина с целью определения эффекта от применения предложенной теплообменной перегородки.

[ФИГ.15] На Фиг.15 представлены результаты эксперимента, проводимого в условиях, показанных на Фиг.14, методом сублимации нафталина с целью определения эффекта от применения предложенной теплообменной перегородки.

[ФИГ.16] На Фиг.16 показаны результаты эксперимента, проводимого в условиях, показанных на Фиг.14, методом сублимации нафталина с целью определения эффекта от применения предложенной теплообменной перегородки.

[ФИГ.17] На Фиг.17 показаны результаты эксперимента, проводимого в условиях, показанных на Фиг.14, методом сублимации нафталина с целью определения эффекта от применения предложенной теплообменной перегородки.

[ФИГ.18] На Фиг.18 показаны результаты эксперимента, проводимого в условиях, показанных на Фиг.14, методом сублимации нафталина с целью определения эффекта от применения предложенной теплообменной перегородки.

[ФИГ.19] На Фиг.19 показан разрез теплообменной перегородки согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения плоскостью, проходящей вдоль этой перегородки перпендикулярно ее поверхности.

Обозначения номеров позиций

[0019]

1: теплообменная перегородка

2: блок сгорания (блок сгорания газовой турбины)

18: охлаждающий воздух (охлаждающая среда)

20: несущий лист

20а: поверхность

21: штырь

25: теплообменная перегородка

26: несущий лист

26а: поверхность

27: углубление

28: выпуклость

28а: поверхность, наклоненная в сторону оттока среды

28b: поверхность, наклоненная в сторону притока среды

31: теплообменная перегородка

32: ребро (элемент усиления турбулентности)

33: несущий лист

35: теплообменная перегородка

36: штырь

40: штырь

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

[0020] Ниже со ссылками на Фиг.1-3 описана теплообменная перегородка согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

На Фиг.1 показана структура блока сгорания, оснащенного теплообменной перегородкой в соответствии с настоящим изобретением. На Фиг.2 показан разрез теплообменной перегородки в соответствии с данным вариантом осуществления, плоскостью, проходящей вдоль этой перегородки перпендикулярно ее поверхности. На Фиг.3 проиллюстрировано расположение штырей, установленных на теплообменной перегородке, показанной на Фиг.2, в плоскости, перпендикулярной центральным осям штырей.

[0021] Теплообменная перегородка 1, соответствующая данному варианту осуществления, может применяться, например, в блоке 2 сгорания газовой турбины летательного аппарата (не показана), основными компонентами которой являются компрессор (не показан), осуществляющий сжатие воздуха, подлежащего подаче в камеру сгорания, блок 2 сгорания, в котором в поступающий от компрессора и находящийся под давлением воздух впрыскивается топливо, с последующим сгоранем данной топливной смеси с образованием высокотемпературного газа, и турбина (не показана), расположенная ниже по потоку воздуха по отношению к блоку 2 сгорания и приводимая во вращение газом, выделяющимся при сгорании топливной смеси в блоке 2 сгорания.

[0022] Как показано на Фиг.1, блок 2 сгорания содержит внешний цилиндр 4 и внутренний цилиндр 6. Во внешнем цилиндре 4 имеется воздухоприемник 9 для забора сжатого воздуха 11, нагнетаемого компрессором.

Наружная стенка внутреннего цилиндра 6 образована оболочкой 12. Во внутреннем цилиндре 6 имеется топливная форсунка 8, которая впрыскивает топливо во внутренний цилиндр 6, и воздухоприемник 10, направляющий воздух во внутренний цилиндр 6.

[0023] Внутренняя сторона оболочки 12 покрыта теплообменными перегородками 1 (называемыми также «панелями»). Пространство, ограниченное указанными перегородками 1, образует камеру 16 сгорания, в которой происходит смешивание и сгорание газообразного топлива и воздуха. Теплообменные перегородки 1 закреплены на оболочке 12 так, что между ними и оболочкой 12 имеется зазор. Проход, образованный зазором между теплообменными перегородками 1 и оболочкой 12, сообщается с воздухоприемником 17 охлаждающего воздуха, в который входит сжатый воздух 11, или с отверстиями для охлаждающего воздуха (не показаны), имеющимися в оболочке 12. С нижней по направлению потока стороны камера 16 сгорания соединена со входом в турбину.

Следует отметить, что номером позиции 18 на Фиг.1 обозначен охлаждающий воздух, (охлаждающая среда), проходящий по проходу, образованному зазором между теплообменными перегородками 1 и оболочкой 12.

[0024] Как показано на Фиг.2, в соответствии с данным вариантом осуществления каждая из теплообменных перегородок 1 содержит несущий лист 20 и группу штырей 21, которые равномерно установлены (расположены) на плоской (не имеющей неровностей) поверхности 20а несущего листа 20.

Каждый из штырей 21 представляет собой цилиндрический элемент, нижний торец которого расположен на поверхности 20а несущего листа 20, причем поперечное сечение указанного цилиндрического элемента плоскостью, перпендикулярной к прямой 22, которая соответствует его центральной (продольной) оси, имеет круглую (или эллиптическую) форму (иными словами, поперечное сечение этого элемента плоскостью, параллельной поверхности 20а несущего листа 20, имеет эллиптическую форму). Каждый штырь 21 имеет такие пропорции, что его высота H по оси, перпендикулярной поверхности 12а оболочки 12, равна или несколько меньше расстояния между поверхностью 20а несущего листа 20 и поверхностью 12а оболочки 12 (при этом высота Н приблизительно равна четырем радиусам штыря 21).

Кроме того, каждый штырь 21 установлен на поверхности 20а несущего листа 20 с наклоном назад на угол α (угол между прямой 22 и поверхностью 20а несущего листа 20 или угол между прямой 22 и поверхностью 12а оболочки 12; в данном варианте осуществления этот угол равен 45 градусам), так что верхний торец штыря (торец, обращенный к поверхности 12а оболочки 12) сдвинут в сторону оттока воздуха (на Фиг.3 справа) по отношению к его нижнему торцу, что создает наклон назад.

[0025] Как показано на Фиг.3, если рассматривать штыри 21 в плоскости, перпендикулярной прямым 22, которые соответствуют их центральным осям, то они расположены так, что расстояние между центрами соседних штырей 21 всегда равно величине шага Р1 (который, если принять радиус штырей 21 за 1 единицу, составляет 4 единицы), причем прямые, соединяющие центры соседних штырей 21, образуют равносторонний треугольник. Иными словами, если рассматривать штыри 21 в плоскости, перпендикулярной прямым 22, которые соответствуют их центральным осям, штыри 21 расположены периодически с равными интервалами (шаг Р1=4) по ширине (в поперечном направлении (вертикальное направление на Фиг.3)) и периодически с равными интервалами (шаг Р2=3,464) по длине (в продольном направлении (горизонтальное направление на Фиг.3)).

[0026] Ниже описан технический результат, достигаемый в результате применения теплообменной перегородки 1, выполненной в соответствии с настоящим вариантом осуществления.

Когда поток охлаждающего воздуха 18, движущийся по проходу, образованному зазором между поверхностью 12а оболочки 12 и поверхностью 20а несущего листа 20, проходит между штырями 21, разнесенными по ширине, площадь прохождения потока уменьшается до 1/2 (если высота Н равна расстоянию между поверхностью 20а несущего листа 20 и поверхностью 12а оболочки 12), за счет чего скорость потока увеличивается вдвое. Помимо этого, охлаждающий воздух 18 движется в направлении результирующей силы, которую составляют компонента, направленная по прямой 22, соответствующей центральной оси штыря 21, и перпендикулярная ей компонента. То есть охлаждающий воздух 18 движется так, что сталкивается под углом с поверхностью 20а несущего листа 20 со стороны притока воздуха (как показано, например, на Фиг.9).

Таким образом, происходит эффективное отведение теплоты от поверхности 20а несущего листа 20, за счет чего удается достичь большего охлаждения поверхности 20а несущего листа 20, обеспечивая более высокую эффективность охлаждения несущего листа 20.

[0027] Следует отметить, что часть охлаждающего воздуха 18, проходящая рядом с поверхностью 20а несущего листа 20, при движении вдоль этой поверхности попадает в «мертвую зону», которая образована у задней поверхности (поверхность со стороны оттока воздуха, находящаяся на Фиг.2 справа) штырей 21, направляется к оболочке 12 и движется в направлении оттока вдоль поверхности 12а оболочки 12.

Затем охлаждающий воздух 18, направляющийся в сторону оттока по поверхности 12а оболочки 12, снова сталкивается с поверхностью 20а несущего листа 20.

[0028] В соответствии с данным вариантом осуществления теплообменной перегородки 1 штырь 21 целиком наклонен назад, так что верхний торец штыря 21 сдвинут в сторону оттока воздуха по отношению к его нижнему торцу; таким образом, охлаждающий воздух 18, проходящий между штырями 21, расположенными в поперечном направлении, сталкивается под углом с поверхностью 20а несущего листа 20 со стороны притока воздуха, что позволяет эффективно отводить теплоту от поверхности 20а несущего листа 20. Благодаря этому удается достичь большего охлаждения поверхности 20а несущего листа 20, обеспечивая, тем самым, более высокую эффективность охлаждения несущего листа 20.

[0029] Далее со ссылкой на Фиг.4 описан второй вариант осуществления предложенной теплообменной перегородки. На Фиг.4 показан разрез теплообменной перегородки согласно данному варианту осуществления плоскостью, проходящей вдоль этой перегородки перпендикулярно ее поверхности. Как показано на Фиг.4, данный вариант осуществления теплообменной перегородки 25 отличается от описанного выше первого варианта осуществления тем, что в данном случае вместо несущего листа 20 предусмотрен несущий лист 26. Поскольку остальные компоненты данной перегородки аналогичны компонентам перегородки, соответствующей описанному выше первому варианту осуществления, описание этих компонентов здесь опущено.

[0030] Поверхность 26а несущего листа 26 имеет углубления и выпуклости, имея в поперечном сечении волнообразную форму, в которой углубления 27 и выпуклости 28 повторяются, чередуясь по длине (в горизонтальном направлении на Фиг.4) несущего листа 26 (то есть теплообменной перегородки 25). Углубления 27 и выпуклости 28 вытянуты по ширине несущего листа (в направлении, перпендикулярном плоскости бумаги на Фиг.4).

Кроме того, нижний торец каждого из штырей 21 расположен на наклоненной в сторону оттока воздуха поверхности 28а, которая отходит от вершины выпуклости 28 в сторону оттока воздуха. При этом у каждого из штырей 21 нижний торец начинается с вершины выпуклости 28 или с места, несколько отстоящего в сторону оттока воздуха от вершины выпуклости 28.

[0031] Ниже со ссылками на Фиг.5-8 описан технический результат, достигаемый при применении теплообменной перегородки 25 в соответствии с данным вариантом осуществления. Фиг.5-8 представляют собой схемы, иллюстриующие результаты, полученные методами вычислительной гидродинамики ВГД (CFD): на Фиг.5 показаны результаты расчетов для случая, когда зазор (промежуток между поверхностью 12а оболочки 12 и верхним торцом штыря 21) равен нулю и степень неровности (степень неровности поверхности 26а несущего листа 26) равна 1; на Фиг.6 показаны результаты расчетов для случая, когда зазор равен 0,3 (составляет 0,3 от радиуса штырей 21) и степень неровности равна 1; на Фиг.7 показаны результаты расчетов для случая, когда зазор равен нулю и степень неровности равна 2; и на Фиг.8 показаны результаты расчетов для случая, когда зазор равен 0,3 и степень неровности равна 2.

Степень неровности, равная 1, указывает, что наклон поверхности 28а, наклоненной в сторону оттока воздуха, которая отходит от вершины выпуклости 28 в сторону оттока воздуха, подобран так, что он совпадает с направлением результирующей силы, состоящей из двух компонент, причем компонента, направленная по прямой 22 (см. Фиг.2), соответствующей центральной оси штырей 21, равна 1 единице, а перпендикулярная ей компонента равна 2 единицам. Это случай проиллюстрирован на Фиг.9.

Степень неровности, равная 2, указывает, что наклон поверхности 28а, наклоненной в сторону оттока воздуха, которая отходит от вершины выпуклости 28 в сторону оттока воздуха, подобран так, что он совпадает с направлением результирующей силы, состоящей из двух компонент, причем компонента, направленная по прямой 22 (см. Фиг.2), соответствующей центральной оси штырей 21, равна 1 единице, а перпендикулярная ей компонента равна 4 единицам. Этот случай проиллюстрирован на Фиг.10.

[0032] При сравнении Фиг.5 и 7 и Фиг.6 и 8 видно, что чем больше степень неровности (наклон поверхности 28а в сторону оттока воздуха), тем ближе (и за более короткое время) и под большим углом часть (обозначенная на чертежах штриховой линией) охлаждающего воздуха 18 (см. Фиг.4), проходящая рядом с поверхностью 12а оболочки 12, при движении вдоль этой поверхности и часть (обозначенная на чертежах сплошной линией) охлаждающего воздуха 18 (см. Фиг.4), проходящая по существу в центре зазора между поверхностью 12а оболочки 12 и поверхностью 26а несущего листа 26, при движении вдоль поверхности 12а оболочки 12 столкнутся с поверхностью 26а несущего листа 26.

Следует отметить, что в случае, когда на поверхности несущего листа 26 совершенно нет неровности, в частности, в случае если несущий лист представляет собой несущий лист 20, показанный на Фиг.2 и описанный в первом варианте осуществления, часть охлаждающего воздуха 18 (как показано на Фиг.4), проходящего вблизи поверхности 12а оболочки 12 вдоль поверхности 12а оболочки 12, и часть охлаждающего воздуха 18 (как показано на Фиг.4), проходящая по существу через центр между поверхностью 12а оболочки 12 и поверхностью 20а несущего листа 20 вдоль поверхности 12а оболочки 12, сталкиваются с поверхностью 20а несущего листа 20 на большем расстоянии и под меньшим углом, по сравнению с данным вариантом осуществления.

[0033] На указанных фигурах видно также, что часть (обозначенная на чертежах штрихпунктирной линией) охлаждающего воздуха 18 (см. Фиг.4), проходящая рядом с поверхностью 26а несущего листа 26, при движении вдоль этой поверхности попадает в «мертвую зону» у задней поверхности (поверхности со стороны оттока воздуха, находящейся на чертежах справа) штырей 21, направляется к поверхности 12а оболочки 12 и движется рядом с поверхностью 12а оболочки 12 вдоль этой поверхности.

[0034] Далее, охлаждающий воздух 18 (см. Фиг.4), проходящий рядом с поверхностью 12а оболочки 12, при движении вдоль этой поверхности движется по траектории, показанной на чертежах пунктирными линиями, и сталкивается с поверхностью 26а несущего листа 26.

Однако, сталкиваясь с поверхностью 26а несущего листа 26 (см. Фиг.4), охлаждающий воздух 18 движется некоторое время рядом с поверхностью 26а несущего листа 26 вдоль этой поверхности, продвигается по траектории, показанной на чертежах штрихпунктирной линией, приближается к поверхности 12а оболочки 12 и проходит рядом с поверхностью 12а оболочки 12 вдоль этой поверхности.

[0035] В теплообменной перегородке 25 согласно данному варианту осуществления поверхность 26а несущего листа 26 имеет углубления и выпуклости, имея в поперечном сечении волнообразную форму, причем углубления 27 и выпуклости 28 повторяются, чередуясь в направлении длины несущего листа 26, а штыри 21 выполнены таким образом, что их нижние торцы начинаются с вершины выпуклости 28 или с места, несколько отстоящего от вершины выпуклости 28 в сторону оттока воздуха. Таким образом, охлаждающий воздух 18, проходящий между штырями 21, установленными в поперечном направлении, проходит рядом с поверхностью 26а несущего листа 26 вдоль поверхности 28а, наклоненной в сторону оттока воздуха, которая отходит от вершины выпуклости 28 в сторону оттока воздуха, и затем сталкивается под большим углом с поверхностью 28b (см. Фиг.11), наклоненной в сторону притока воздуха, которая отходит от вершины выпуклости 28 в сторону притока воздуха, что позволяет более эффективно отводить теплоту от поверхности 26а несущего листа 26. Благодаря этому удается в охлаждении поверхности 26а несущего листа 26 достичь большего охлаждающего эффекта, чем в первом варианте осуществления, и обеспечить более высокую, чем в первом варианте осуществления, эффективность охлаждения несущего листа 26.

[0036] Ниже со ссылками на Фиг.11-12 описан третий вариант осуществления предложенной теплообменной перегородки. На Фиг.11 показан разрез теплообменной перегородки согласно данному варианту осуществления плоскостью, проходящей вдоль этой перегородки перпендикулярно ее поверхности. На Фиг.12 проиллюстрировано расположение ребер, установленных на теплообменной перегородке, которая показана на Фиг.11, при наблюдении несущего листа со стороны оболочки.

Как показано на Фиг.11 и 12, теплообменная перегородка 31, соответствующая данному варианту осуществления, отличается от вышеописанной перегородки, соответствующей второму варианту осуществления, тем, что предусмотрен несущий лист 33, в котором имеется совокупность ребер 32, установленных на поверхности 26а несущего листа 26. Поскольку остальные компоненты аналогичны компонентам описанного выше второго варианта осуществления, их описание далее опущено.

[0037] Как показано на Фиг.11 или 12, ребра (элементы усиления турбулентности) 32 выполнены таким образом, что их продольные оси расположены вдоль прямых, соединяющих центры смежных штырей 21 на поверхности 28b, наклоненной в сторону притока воздуха, которая отходит от вершины выпуклости 28 в сторону притока воздуха, то есть они расположены по радиальным линиям, проходящим от центра одного из штырей 21 к центрам других соседних штырей 21, находящихся со стороны притока и/или со стороны оттока воздуха.

[0038] В соответствии с данным вариантом осуществления теплообменной перегородки 31, часть охлаждающего воздуха 18 (см. Фиг.11), проходящая рядом с поверхностью 26а несущего листа 33 вдоль этой поверхности, испытывает возмущения, сталкиваясь с ребрами 32, что создает турбулентный поток, который эффективно отводит теплоту от корневых участков штырей 21 и поверхности 26а несущего листа 33. Благодаря этому удается достичь большего охлаждающего эффекта в охлаждении корневых участков штырей 21 и поверхности 26а несущего листа 33, обеспечивая более высокую эффективность охлаждения несущего листа 33.

[0039] Далее со ссылкой на Фиг.13 описан четвертый вариант осуществления предложенной теплообменной перегородки. На Фиг.13 показан разрез теплообменной перегородки согласно данному варианту осуществления плоскостью, проходящей вдоль этой перегородки перпендикулярно ее поверхности.

Как показано на Фиг.13, данный вариант осуществления теплообменной перегородки 35 отличается от описанного выше второго варианта осуществления тем, что вместо штырей 21 предусмотрены штыри 36. Поскольку остальные компоненты аналогичны компонентам описанного выше второго варианта осуществления, описание этих компонентов далее опущено.

[0040] Каждый из штырей 36 установлен на поверхности несущего листа 26, имеющего углубления и выпуклости, с наклоном вперед на угол β (угол между прямой 37 и поверхностью 12а оболочки 12 или угол между прямой 37 и поверхностью 26а несущего листа 26; в данном варианте осуществления этот угол равен 45 градусам), так что его верхний торец (торец, обращенный к поверхности 12а оболочки 12) сдвинут в сторону притока воздуха (на Фиг.13 слева) по отношению к его нижнему торцу, что создает наклон вперед. При этом нижний торец каждого из штырей 36 лежит на наклоненной в сторону притока воздуха поверхности 28b, которая отходит от вершины выпуклости 28 в сторону притока воздуха. Иными словами, нижний торец каждого из штырей 36 начинается от вершины выпуклости 28 или с места, несколько отстоящего в сторону притока воздуха от вершины выпуклости 28.

[0041] Поскольку технический результат, достигаемый при применении теплообменной перегородки 35 согласно данному варианту осуществления, аналогичен техническому результату, достигаемому при применении перегородки в соответствии с описанным выше вторым вариантом осуществления, здесь его описание опущено.

[0042] На Фиг.15-18 представлены результаты эксперимента, проведенного с целью подтверждения технического результата от применения предложенных теплообменных перегородок, методом сублимации нафталина в условиях, приведенных в таблице на Фиг.14.

Обращаясь к Фиг.14, следует отметить, что наклон θ, равный -45°, означает, что штыри установлены на поверхности 20а несущего листа 20 или на наклоненной в сторону оттока воздуха поверхности 28а несущего листа 26 с наклоном назад на угол α, равный 45 градусам; а наклон θ равный +45° означает, что штыри установлены на поверхности 20а несущего листа 20 или на наклоненной в сторону притока воздуха поверхности 28b несущего листа 26 с наклоном вперед на угол β, равным 45 градусам.

[0043] На Фиг.15 показано, что падение давления в каждом случае - в теплообменной перегородке 1 (в таблице, показанной на Фиг.15 столбец "-45°, плоская поверхность"), описанной в первом варианте осуществления, где штыри 21 установлены на поверхности 20а несущего листа 20 с наклоном назад на угол α, равный 45 градусам; в теплообменной перегородке (в таблице, показанной на Фиг.15, столбец "+45°, плоская поверхность"), где штыри 21 установлены на поверхности 20а несущего листа 20 с наклоном вперед на угол β, равный 45 градусам; в теплообменной перегородке 25 (в таблице, показанной на Фиг.15, столбец "-45°, волнистая поверхность"), описанной во втором варианте осуществления, где штыри 21 установлены на наклоненной в сторону оттока воздуха поверхности 28а несущего листа 26 с наклоном назад на угол α, равный 45 градусам; и в теплообменной перегородке 35 (в таблице, показанной на Фиг.15, столбец "+45°, волнистая поверхность"), описанной в четвертом варианте осуществления, где штыри 36 установлены на наклоненной в сторону притока воздуха поверхности 28b несущего листа 26 с наклоном вперед на угол β, равный 45 градусам, - составляет приблизительно половину от величины падения давления в теплообменной перегородке (в таблице, показанной на Фиг.15, столбец "90°"), где штыри установлены на поверхности 20а несущего листа 20 с наклоном назад на угол α, равный 90 градусам (или с наклоном вперед на угол β, равный 90 градусам).

[0044] Это связано с тем, что, поскольку штыри 21 установлены на поверхности 20а несущего листа 20 или на наклоненной в сторону оттока воздуха поверхности 28а несущего листа 26 с наклоном назад на угол α (в описанных выше вариантах осуществления и в данном эксперименте α=45 градусов), или же, в другом случае, штыри 36 установлены на поверхности 20а несущего листа 20 или на наклоненной в сторону притока воздуха поверхности 28b несущего листа 26 с наклоном вперед на угол β (в описанных выше вариантах осуществления и в этом эксперименте β=45 градусов), плотность штырей при взгляде со стороны притока или стороны оттока, то есть площадь проекции штырей на плоскость, перпендикулярную поверхности 12а оболочки 12, будет меньше, что компенсирует сужение площади пропускания потока между штырями. А поскольку сужение площади пропускания потока между штырями будет компенсировано, компенсируется и увеличение скорости потока охлаждающего воздуха 18 между штырями, что повышает эффективность теплообмена между охлаждающим воздухом 18 и штырями и обеспечивает эффективное охлаждение штырей охлаждающим воздухом 18.

[0045] Далее, на Фиг.16 показано, что коэффициент теплопередачи на поверхности несущего листа 26, имеющей углубления и выпуклости, в любом из следующих случаев - у теплообменной перегородки 25 (на Фиг.16 линия "-45° (волнистая)"), описанной во втором варианте осуществления, где штыри 21 установлены на наклоненной в сторону оттока воздуха поверхности 28а несущего листа 26 с наклоном назад на угол α, равный 45 градусам, и у теплообменной перегородки 35 (на Фиг.16 линия "+45° (волнистая)"), описанной в четвертом варианте осуществления, где штыри 36 установлены на наклоненной в сторону притока воздуха поверхности 28b несущего листа 26 с наклоном вперед на угол β, равный 45 градусам, - несколько ниже, чем у теплообменной перегородки (на Фиг.16 столбец "90°"), где штыри установлены на поверхности 20а несущего листа 20 с наклоном назад под углом α, равным 90 градусам (или с наклоном вперед под углом β, равным 90 градусам), но почти не отличается от коэффициента теплопередачи у теплообменной перегородки, где штыри установлены на поверхности 20а несущего листа 20 с наклоном назад под углом α, равным 90 градусам (или с наклоном вперед под углом β, равным 90 градусам)

[0046] Следует отметить, что коэффициент теплопередачи на поверхности 20а несущего листа 20 у теплообменной перегородки 1 (в таблице на Фиг.16 столбец "-45° плоская"), описанной в первом варианте осуществления, где штыри 21 установлены на поверхности 20а несущего листа 20 с наклоном назад под углом α, равным 45 градусам, ниже, чем коэффициент теплопередачи в любом из следующих случаев - у теплообменной перегородки 25 (на Фиг.16 столбец "-45° волнистая"), описанной во втором варианте осуществления, где штыри 21 установлены на наклоненной в сторону оттока воздуха поверхности 28а несущего листа 26 с наклоном назад под углом α, равным 45 градусам, и у теплообменной перегородки 35 (в таблице на Фиг.16 столбец "+45° (волнистая)"), описанной в четвертом варианте осуществления, где штыри 36 установлены на наклоненной в сторону притока воздуха поверхности 28b несущего листа 26 с наклоном вперед под углом β, равным 45 градусам. Подобное наблюдение может быть получено также при сравнении Фиг.17 с Фиг.18: на Фиг.17 представлен коэффициент теплопередачи на поверхности 20а несущего листа 20 для теплообменной перегородки 1, описанной в первом варианте осуществления, где штыри 21 установлены на поверхности 20а несущего листа 20 с наклоном назад под углом α, равным 45 градусам; а на Фиг.18 представлен коэффициент теплопередачи на наклоненной в сторону оттока воздуха поверхности 28а несущего листа 26 для теплообменной перегородки 25, описанной во втором варианте осуществления, где штыри 21 установлены на наклоненной в сторону оттока воздуха поверхности 28а несущего листа 26 с наклоном назад под углом α, равным 45 градусам. Однако, как указывалось выше, когда штыри 21 установлены на поверхности 20а несущего листа 20 с наклоном назад по углом α, равным 45 градусам, плотность штырей 21 при наблюдении со стороны притока или оттока, то есть площадь проекции штырей 21 на плоскость, перпендикулярную поверхности 12а оболочки 12, меньше, что компенсирует уменьшение площади пропускания потока между штырями 21. А поскольку уменьшение площади пропускания потока между штырями 21 скомпенсировано, компенсируется и увеличение скорости потока охлаждающего воздуха 18 между штырями 21, что повышает эффективность теплообмена между охлаждающим воздухом 18 и штырями 21 и обеспечивает эффективное охлаждение штырей 21 охлаждающим воздухом 18. В результате этого в теплообменной перегородке 1, где штыри 21 установлены на поверхности 20а несущего листа 20 с обратным наклоном на угол α, равный 45 градусам, будет компенсировано снижение коэффициента теплопередачи, представленное на Фиг.16.

Буквами «Nu» на Фиг.16-18 обозначена безразмерная величина (число Нуссельта), выражающая интенсивность теплопередачи между охлаждающим воздухом (средой) 18 и несущим листом (20 или 26).

[0047] Вышеописанные теплообменные перегородки 1, 25, 31, или 35, установленные в блоке 2 сгорания, обладают более высокой эффективностью охлаждения, что повышает эффективность теплообмена; поэтому по сравнению с обычным блоком сгорания удается сократить количество охлаждающей среды, необходимое для достижения той же величины теплообмена, направить больше воздуха внутрь камеры 16 сгорания, увеличить отношение расхода воздуха для горения к расходу топлива и уменьшить концентрацию NOx в выхлопных газах, выходящих из блока 2 сгорания.

[0048] Кроме того, в самолетной газовой турбине, оснащенной таким блоком 2 сгорания, благодаря использованию в газовой турбине блока сгорания, обладающего более высокой эффективностью теплообмена, по сравнению с обычной газовой турбиной удается снизить количество охлаждающей среды, необходимое для достижения той же величины теплообмена, направить больше этого воздуха внутрь камеры 16 сгорания, увеличить отношение расхода воздуха для горения к расходу топлива и уменьшить концентрацию NOx в выхлопных газах, выходящих из газовой турбины летательного аппарата, за счет снижения температуры сгорания и ускорения однородного перемешивания в блоке сгорания газов, выделяющихся при горении, и газа, не подвергающегося сгоранию, в целях быстрого и однородного охлаждения этих газов.

[0049] Отметим, что штыри 21, предусмотренные в соответствии с настоящим изобретением, могут иметь не только круглое (или эллиптическое) поперечное сечение в плоскости, перпендикулярной к прямой 22 (см. Фиг.2), которая соответствует их центральной оси; но могут быть любой формы, в том числе иметь поперечное сечение в форме многоугольника или полукруга.

Кроме того, форма штырей, предусмотренных в соответствии с настоящим изобретением, может быть отлична от формы, согласно которой центральная ось штыря при наблюдении снаружи в направлении ширины обозначена прямой 22 (см. Фиг.2). Так, может использоваться, например, штырь 40, имеющий форму, показанную на Фиг.19, то есть штырь, в котором только его участок, находящийся рядом с поверхностью 12а оболочки 12, наклонен назад в сторону оттока охлаждающей среды, или же штырь, который наклонен в направлении, противоположном штырю 40, то есть штырь, в котором только его участок, находящийся рядом с поверхностью 12а оболочки 12, наклонен вперед в сторону притока среды.

Кроме того, высота Н штырей 21, предусмотренных в настоящем изобретении, не ограничивается величиной, равной четырем радиусам одного штыря, а может быть больше или меньше.

Также, в соответствии с настоящим изобретением, расстояние между центрами соседних штырей 21 может быть отличным от величины, составляющей четыре радиуса одного штыря, а может быть больше или меньше, причем эта величина может специально задаваться таким образом, чтобы способствовать увеличению или уменьшению скорость потока.

Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением, штыри 21 могут быть расположены не только в виде равносторонних треугольников, как показано на Фиг.3; но также любым другим образом, что приведет к расширению или сужению расстояния между штырями по направлению потока.

Также, степень неровности на нижней поверхности не ограничена степенью неровности 1 или 2, а может быть увеличена с образованием более неровной поверхности, или же уменьшена с образованием более плоской поверхности.

[0050] И, наконец, в четвертом варианте осуществления на наклоненной в сторону притока среды поверхности 28b, которая отходит от вершины выпуклости 28 в сторону притока среды, могут быть предусмотрены ребра 32, как и в третьем варианте осуществления.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в теплообменных перегородках, используемых для охлаждения теплообменных поверхностей. Теплообменная перегородка содержит несущий лист и штыри, установленные на поверхности указанного листа, при этом вдоль поверхности листа в его продольном направлении протекает охлаждающая среда. Каждый штырь целиком или частично наклонен в строну оттока среды, так что его верхний торец сдвинут в сторону оттока среды по отношению к его нижнему торцу. Технический результат -изобретение позволяет обеспечить более эффективное охлаждение несущего листа. 6 н. и 2 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Теплообменная перегородка, содержащая несущий лист и штыри, установленные на поверхности указанного несущего листа, причем вдоль поверхности несущего листа, в его продольном направлении протекает охлаждающая среда; в которой каждый из указанных штырей целиком или частично наклонен назад в сторону оттока среды, так что его верхний торец сдвинут в сторону оттока среды по отношению к его нижнему торцу.

2. Теплообменная перегородка по п.1, в которой:
поверхность несущего листа имеет углубления и выпуклости, имея в поперечном сечении волнообразную форму, причем указанные углубления и выпуклости повторяются, чередуясь в продольном направлении несущего листа; и
нижний торец каждого из штырей расположен на наклоненной в сторону оттока среды поверхности, которая отходит от вершины выпуклости в сторону оттока среды.

3. Теплообменная перегородка, содержащая несущий лист и штыри, установленные на поверхности несущего листа, причем вдоль поверхности несущего листа, в его продольном направлении протекает охлаждающая среда, в которой каждый из указанных штырей целиком или частично наклонен вперед в сторону притока среды, так что его верхний торец сдвинут в сторону притока среды по отношению к его нижнему торцу;
причем поверхность несущего листа имеет углубления и выпуклости, имея в поперечном сечении волнообразную форму, в которой углубления и выпуклости повторяются, чередуясь в продольном направлении несущего листа; и
нижний торец каждого штыря расположен на наклоненной в сторону притока среды поверхности, которая отходит от вершины выпуклости в сторону притока среды.

4. Теплообменная перегородка по любому из пп.1-3, в которой на поверхности несущего листа предусмотрены элементы усиления турбулентности, вызывающие возмущение охлаждающей среды, протекающей рядом с поверхностью несущего листа, создавая на поверхности несущего листа турбулентный поток.

5. Блок сгорания газовой турбины, содержащий теплообменную перегородку по любому из пп.1-3.

6. Газовая турбина, содержащая блок сгорания газовой турбины по п.5.

7. Блок сгорания газовой турбины, содержащий теплообменную перегородку по п.4.

8. Газовая турбина, содержащая блок сгорания газовой турбины по п.7.