ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2014 года по МПК H01L35/30 

Настоящее изобретение относится к устройству для выработки электрической энергии для авиационной газовой турбины или т.п.

Воздушное судно потребляет значительное количество электричества на внутреннее оборудование. Эта электрическая энергия обычно вырабатывается генератором переменного тока, который снимает механическую энергию с газовой турбины. Следовательно, предпочтительно иметь средства выработки электрической энергии, которые не увеличивают расход топлива воздушного судна.

Кроме того, известно, что термоэлектрические элементы могут вырабатывать электрическую энергию под действием разности температур, приложенных к ним.

На фиг.1 показан такой термоэлектрический элемент 10. Он по существу образован полупроводниковым переходом, выполненным из двух элементов 12 и 14, которые легированы соответственно, чтобы являться полупроводниками N и Р типа. Эти два элемента соединены друг с другом электрическим проводником 16, и у них есть соответствующие электрические соединения, которые образуют контакты 18 и 19. Обычно такой узел, образующий отдельный термоэлектрический элемент, установлен между двумя электрически изолирующими опорами, такими как опоры 20 и 22, например, что облегчает закрепление такого элемента на другом элементе. Конечно, множество отдельных термоэлектрических элементов могут быть соединены друг с другом.

Также известно, что эффективность или производительность таких элементов прямопропорциональны разнице температур, которая существует между двумя поверхностями такого элемента, например, образованного изолирующими опорами 20 и 22.

В заявке РСТ WO 2005/017331 описан термоэлектрический генератор энергии для газотурбинного двигателя, в частности для реактивного воздушного судна.

В этой заявке предлагается расположить кольцевые группы термоэлектрических элементов вокруг горячей зоны, но без определения условий установки для испытаний термоэлектрических элементов.

К сожалению, как было указано выше, эффективность такого оборудования для выработки электрической энергии зависит непосредственно от разницы температур между источником тепла и источником холода, между которыми расположены термоэлектрические элементы.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства для выработки электрической энергии для авиационной газовой турбины или т.п., которое позволяет добиться значительного увеличения эффективности термоэлектрических элементов без существенного увеличения расхода топлива воздушного судна.

Для решения этой задачи устройство для выработки электрической энергии в газовой турбине или т.п. воздушного судна содержит множество термоэлектрических элементов, имеющих поверхность, окружающую источник тепла, и оно характеризуется тем, что источник холода образован холодной текучей средой, проходящий над другой поверхностью термоэлектрических элементов.

Следует понимать, что в этом варианте осуществления поток холодной текучей среды образует источник холода, приложенный к термоэлектрическим элементам, тем самым улучшая их энергетическую эффективность.

В предпочтительном первом варианте осуществления система выработки электрической энергии характеризуется тем, что холодная текучая среда выбрана из группы, состоящей из: топлива для указанной турбины; охлаждающего или смазочного масла; воздуха, забираемого из компрессоров указанной турбины; воздуха для охлаждения отсека двигателя; и воздуха снаружи указанной турбины.

Следует понимать, что использование текучих сред, приведенных выше и, в частности, использование охлаждающего масла или топлива приводит к эффективному охлаждению, при этом практически не приводя к дополнительному расходу топлива, так как обычно охлаждающее масло или топливо повторно используются.

В первом варианте осуществления источник тепла образован стенкой сопла указанной турбины, нагреваемой посредством конвекции отработавшими газами.

В другом варианте осуществления система характеризуется тем, что источник холода образован по меньшей мере одной кольцевой зоной, в которую вводится холодная текучая среда. Внутренняя стенка кольцевой зоны находится в контакте с опорой термоэлектрических элементов. Внешняя стенка кольцевой зоны является наружной оболочкой и охлаждается посредством конвекции холодной текучей средой.

Также предпочтительно, чтобы устройство характеризовалось чередованием концентричных кольцевых зон, в которых источник холода и поток отработавших газов проходят поочередно. Термоэлектрические элементы расположены между каждой из кольцевых зон.

Следует понимать, что посредством обеспечения таких кольцевых зон с термоэлектрическими элементами, расположенными между ними, обеспечивается противоточный теплообменник, тем самым существенно увеличивая общую эффективность устройства для выработки электрической энергии.

Более конкретно, источник тепла образован по меньшей мере одной кольцевой зоной, в которой проходит часть отработавших газов (образующих горячую текучую среду) по спиральной траектории к внешнему радиусу; и по меньшей мере одной кольцевой зоной, в которой холодная текучая среда проходит по спиральной траектории к внутреннему радиусу. По меньшей мере один кольцевой узел термоэлектрических элементов установлен концентрично так, что одна из поверхностей узла находится в контакте с холодной текучей средой, а другая поверхность - с горячей текучей средой, тем самым образуя цилиндрический противоточный теплообменник.

В настоящем изобретении также предлагается применение устройства для выработки электрической энергии согласно изобретению для питания вспомогательного оборудования газовой турбины электричеством, такого как, например, полностью автономная цифровая система управления двигателем (FADEC), или насосы, которые приводятся в действие электрическими двигателями.

Наконец, в настоящем изобретении предлагается вертолетный газотурбинный двигатель, содержащий устройство для выработки электрической энергии согласно изобретению. Термоэлектрические элементы указанного устройства, предпочтительно, установлены в выхлопном сопле газотурбинного двигателя.

Другие особенности и преимущества изобретения станут понятными при прочтении приведенного ниже описания нескольких вариантов осуществления изобретения, приведенных в качестве не ограничивающих примеров. В описании содержится ссылка на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 представляет собой один возможный вариант осуществления термоэлектрического элемента, подходящий для использования в изобретении;

Фиг.2 иллюстрирует половину проекции в продольном сечении авиационной газовой турбины, подходящей для снабжения устройством для выработки электрической энергии;

Фиг.3 иллюстрирует первый вариант осуществления устройства для выработки электрической энергии;

Фиг.4 иллюстрирует первый альтернативный вариант осуществления устройства для выработки электрической энергии;

Фиг.5А представляет собой вид в перспективе сопла авиационной газовой турбины, снабженной теплообменником для увеличения общей эффективности устройства для выработки электрической энергии;

Фигура 5В представляет собой вид сзади сопла, снабженного теплообменниками, если смотреть в направлении, указанном стрелкой VB на фиг.5А; и

Фиг.6 представляет собой диаграмму, изображающую пример того, как топливо может забираться для образования источника холода.

На фиг.2 показан упрощенный пример авиационной газовой турбины, подходящей для снабжения устройством для выработки электрической энергии по изобретению. На этом чертеже показана газовая турбина 24, имеющая корпус 26 компрессора, корпус 28 турбины высокого давления, корпус 30 свободной турбины и выпускное сопло 32. Также показан вал 34 свободной турбины указанной газовой турбины.

В вариантах осуществления устройства для выработки электрической энергии, которые описаны ниже, устройство устанавливается или соединяется с выпускным соплом 32 газовой турбины. При необходимости, устройство может быть расположено в какой-либо другой горячей части турбины.

В первом варианте осуществления, показанном на фиг.3, устройство 40 для выработки электрической энергии устанавливается непосредственно на внешней стенке 42 сопла 32. Устройство 40 для выработки электрической энергии, предпочтительно, образовано группами термоэлектрических элементов, которые соединены друг с другом с образованием кольцевых узлов 44, которые распределены равномерно по длине стенки 42 сопла 32. Каждое кольцо обычно образовано рядом термоэлектрических элементов, относящихся к типу, показанному на фиг.1, которые электрически соединены друг с другом, и в которых механические опоры 22 и 20 являются гибкими, таким образом, чтобы они могли подходить друг к другу на поверхности вращения, образованной стенкой 42 сопла 32. Таким образом, первая поверхность термоэлектрических преобразовательных элементов 44 находится в контакте через тепловое соединение с внешней поверхностью стенки 42 сопла 32, а вторая поверхность термоэлектрических преобразовательных элементов 44 находится в контакте с наружным воздухом, который, таким образом, выступает в роли источника SF холода, при этом, предпочтительно, обеспечивается внешняя стенка 48 (при необходимости снабженная распределителями), образующая тепловое соединение. Источник SC тепла, как описано выше, образован отработавшим газом G, проходящим через сопло 32 и нагревающим внутреннюю стенку 42 сопла 32 посредством конвекции.

На фиг.4 показан возможный вариант осуществления устройства для выработки электрической энергии, в котором источник SC тепла также образован стенкой 42 сопла 32, а источник SF холода образован потоком холодной текучей среды F в кольцевом пространстве 46, образованном внутренней стенкой 48, контактирующей со вторыми поверхностями термоэлектрических преобразовательных элементов 44, и внешней стенкой 50. Это обеспечивает лучшее прохождение холодной текучей среды и лучший теплообмен с термоэлектрическими элементами 44, так как направляющие могут быть образованы с кольцевым пространством 46. Этот вариант осуществления, естественно, позволяет использовать какую-либо другую холодную текучую среду, отличную от воздуха, например, охлаждающее масло или топливо. Тем не менее, всегда существует возможность использования наружного воздуха или холодного воздуха, забираемого из разных частей газовой турбины.

На фиг.5А и 5В показан третий вариант осуществления изобретения, относящегося к устройству для выработки электрической энергии.

На этих чертежах показана стенка 42 сопла 32, которая выступает в роли внутренней стенки, и стенка 51, которая является внешней стенкой сопла 32. Холодная текучая среда F (холодный воздух, охлаждающее масло или топливо) поступает через впускную(ые) трубу(ы) 52 и затем проходит (в направлении, принятом положительным) в концентричные кольцевые зоны 46, при этом описывая спиральную траекторию в направлении центра сопла. Герметичные радиальные перегородки 59 расположены так, чтобы направлять холодную текучую среду F так, чтобы она проходила по указанной спиральной траектории через трубы 53, обеспечивая сообщение между кольцевыми зонами 46. В последней кольцевой зоне (с наименьшим радиусом) 46₁, холодная текучая среда F выходит наружу через трубу(ы) 54.

Горячая текучая среда G (отработавший газ из сопла) забирается из отработавшего газа сопла через впускную(ые) трубу(ы) 55 и затем проходит (в направлении, принятом отрицательным) в кольцевые зоны 58, описывая спиральную траекторию в направлении наружу сопла, начиная от зоны отработавших газов 32. Герметичные радиальные перегородки 59' расположены так, чтобы направлять горячую текучую среду G так, чтобы она проходила по указанной спиральной траектории через трубы 56, обеспечивая сообщение между кольцевыми зонами 58. В последней кольцевой зоне (с наибольшим радиусом) 58₁, горячая текучая среда G возвращается в основной поток отработавшего газа в сопле через трубу(ы) 57.

Несколько кольцевых узлов термоэлектрических элементов 44 устанавливаются концентрично так, чтобы одна из поверхностей каждого узла контактировала с холодной текучей средой F, а другая поверхность - с горячей текучей средой G. Это обеспечивает цилиндрический противоточный теплообменник.

На фиг.6 показан отдельный случай, когда холодная текучая среда образована топливом, и один возможный способ питания кольцевой зоны 46 (которая может быть образована множеством концентричных колец, как описано для устройства по фиг.5В), образующей источник холода для устройства для выработки электрической энергии. На фиг.6 показан топливный резервуар 60 с насосом 62 низкого давления, который подает топливо под давлением в регулятор 66, который соединен с инжекторами 68 камеры сгорания. Топливо медленно забирается с выхода насоса 62 низкого давления для того, чтобы заполнить кольцевые зоны 46, образующие источник холода с топливом. После прохождения через кольцевые зоны 46 топливо вновь подается на вход насоса 62 низкого давления через трубу 70.

Изобретение относится к устройству для выработки электрической энергии в газовой турбине. Сущность: устройство содержит множество термоэлектрических элементов (44), имеющих поверхность, окружающую источник (SC) тепла. Источник тепла образован кольцевыми зонами, в которых проходит часть отработавшего газа, образующего горячую текучую среду, по спиральной траектории наружу кольцевых зон. Источник холода образован кольцевыми зонами, по которым проходит холодная текучая среда по спиральной траектории к центру сопла турбины. По меньшей мере один кольцевой узел термоэлектрических элементов установлен концентрично так, что одна из поверхностей узла находится в контакте с холодной текучей средой, а другая поверхность - с горячей текучей средой, тем самым обеспечивая цилиндрический противоточный теплообменник. Технический результат: повышение эффективности. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для выработки электрической энергии в газовой турбине воздушного судна, содержащей сопло, при этом устройство содержит множество термоэлектрических элементов, имеющих одну поверхность, окружающую источник тепла, причем источник холода образован холодной текучей средой, протекающей над другой поверхностью термоэлектрических элементов, при этом источник холода образован кольцевыми зонами, в которые вводится холодная текучая среда, причем стенка указанных кольцевых зон образует тепловое соединение со вторыми поверхностями термоэлектрических элементов, отличающееся тем, что источник тепла образован кольцевыми зонами, в которых проходит часть отработавшего газа, образующего горячую текучую среду, по спиральной траектории наружу кольцевых зон, причем источник холода образован кольцевыми зонами, по которым проходит холодная текучая среда по спиральной траектории к центру сопла турбины, при этом, по меньшей мере, один кольцевой узел термоэлектрических элементов установлен концентрично так, что одна из поверхностей узла находится в контакте с холодной текучей средой, а другая поверхность - с горячей текучей средой, тем самым обеспечивая цилиндрический противоточный теплообменник.

2. Устройство по п.1, в котором холодная текучая среда выбрана из группы, состоящей из: топлива для указанной турбины, охлаждающего или смазочного масла, воздуха, забираемого из компрессоров указанной турбины, воздуха для охлаждения отсека двигателя и воздуха снаружи указанной турбины.

3. Устройство по п.1, в котором источник тепла образован стенкой сопла указанной турбины, нагреваемой посредством конвекции отработавшими газами.

4. Устройство по п.2, в котором источник тепла образован стенкой сопла указанной турбины, нагреваемой посредством конвекции отработавшими газами.

5. Устройство по п.1, содержащее множество соединенных друг с другом кольцевых зон, в которых проходит часть отработавшего газа, множество соединенных друг с другом кольцевых зон, в которых протекает холодная текучая среда, и множество кольцевых узлов термоэлектрических элементов, при этом каждый кольцевой узел расположен между кольцевой зоной для отработавшего газа и кольцевой зоной для холодной текучей среды.

6. Применение устройства для выработки электрической энергии по любому из пп.1-5 для питания электричеством вспомогательного оборудования газовой турбины.

7. Вертолетная газовая турбина, содержащая устройство для выработки электрической энергии по любому из пп.1-5.